פריצת דרך בדרך למחשוב קוונטי מתקדם

פריצת דרך מדעית: חוקרים הצליחו לשזור קוונטית ארבעה פוטונים במערכת קומפקטית, שגודלה כגודל מחשב שולחני קטן

ערוץ 7 , ג' בכסלו תשפ"א

אילוסטרציה
אילוסטרציה
צילום: istock

שני חלקיקים קוונטיים החולקים תכונות שונות בצורה מיוחדת מסוגלים להפוך לשזורים.

במילים אחרות, תכונותיהם נעשות משותפות ואיננו יכולים להתייחס לשניהם כאל חומרים שונים, למרות שהם יכולים להיות רחוקים זה מזה מרחק שנות אור.

השזירה הופכת אותם למערכת אחת בלתי ניתנת להפרדה. החלקיקים מתנהגים בצורה מתואמת ומשתנים בהתאם, כך שמדידות של תכונותיהם הפיזיקליות המשנות אחת מהם ישפיעו באופן מיידי על אותה התכונה בחלקיק השני.

אלברט איינשטיין שחקר את התופעה היה משוכנע בזמנו כי אותו קשר מסתורי שמצוי בין חלקיקים שזורים בלי קשר למיקום שלהם - תופעה שכונתה "אי-מקומיות קוונטית" - מוכיח שמכניקת הקוונטים אינה תיאוריה שלמה וכינה את הקשר כ"פעולה של רוחות רפאים".

במאמר חדש שפורסם בכתב העת היוקרתי Nature Communications מציעה קבוצת המחקר של פרופ' חגי איזנברג בה לקחו חלק שני הדוקטורנטים דניאל איסטרטה ויהודה פילניאק ממכון רקח באוניברסיטה העברית בירושלים, דרך ליצירת משאב חשוב באופטיקה הקוונטית והוא מצב שזור ENTANGLED STATE של מספר פוטונים המאוגדים יחד, לא רק שניים.

יצירה של מצב קוונטי שבו יהיו מספר רב של חלקיקים מהווה כיום מבחינה מדעית פריצת דרך משמעותית בטכנולוגיה הקוונטית, שתאפשר תקשורת קוונטית רבת משתתפים, מחשוב קוונטי מתקדם כמו גם אישוש תיאוריות קוונטיות שונות ועוד.

בהקשר לכך, ראוי לציין את דבריו של הפיזיקאי הבריטי ג'ים אל-חלילי, שטען כי מחשב קוונטי שיצליח לשמור על שזירה בין 300 אטומים בלבד יהיה מסוגל לבצע משימות חישוביות מסוימות טוב יותר ממחשב בינארי בגודל היקום כולו, או שיוכל לבצע בשניות ספורות משימות שמחשב רגיל לא יספיק לבצע במשך זמן השווה לכל תוחלת חייו של היקום.

עד כה, מערכות שניסו להגדיל את כמות הפוטונים במצב השזור נדרשו להוסיף מקורות רבים של ציוד ושל גלאי האור במערכות הללו. צורך זה שם מגבלה ממשית על יישומן המעשי של פיתוח מערכות עתידיות מבוססות פוטונים לצורכי עיבוד קוונטי. עבודתם של קבוצת המחקר של פרופ' חגי איזנברג מהאוניברסיטה העברית משנה את התמונה.

העבודה הנוכחית נעשתה בשיתוף פעולה בינלאומי עם אחת המעבדות המובילות בעולם - זאת של פרופ' פסקל סנלאר מאוניברסיטת פריז סאקליי, שמומחיותה בייצור של מקורות איכותיים המסוגלים לפלוט פוטונים בצורה בדידה, באיכות ובקצבים גבוהים. החוקרים הצליחו להרכיב מערכת שהדגימה בהצלחה יתרה יצירת מצבים קוונטיים שזורים של עד ארבעה פוטונים שזורים יחד.

למעשה, זוהי הפעם הראשונה שבה יוצר בהצלחה מצב קוונטי שזור של ארבעה פוטונים באמצעות מקור בודד אחד המסוגל לפלוט פוטונים בצורה יזומה, תוך כדי שימוש בשני גלאי אור ומספר בודד של אלמנטים אופטיים. תוצאות המחקר עשויות להביא עמן בשורה מבטיחה לספק הזדמנות חדשה לחקר תופעות קוונטיות והן ליישומה בטכנולוגיות המבוססות על עיבוד מידע קוונטי רבות משתתפים בצורה פשוטה וניידת.

הדוקטורנטים דניאל איסטרטה ויהודה פילניאק, מתוך קבוצת המחקר של פרופ' חגי איזנברג, משתפים: "למרות שבתיאוריה ציפינו לתוצאות חיוביות בהצלחת השזירה, היה צורך לעבור כברת דרך לא פשוטה בהשגת המדידות התומכות בה. בשלב הראשוני לאחר הגעת המערכת לצרפת, נדרשנו לאפיין את המערכת על-סמך מדידות מקדימות שעשינו במקום. האפיון גילה שעלינו לכייל את המערכת בצורה לא-שגרתית לה לא ציפינו. ברם, הודות לגמישותה של המערכת, יכולנו לבצע זאת במקום. התוצאות הראשונות עם המערכת המכויילת ומקור הפוטונים שכוייל בהתאם, הראו בצורה חד-משמעית את פעולת השזירה על שני פוטונים. כאשר זה קרה, מאוד התרגשנו והבנו שבמערכת שפיתחנו נוכל ללכת עוד צעד קדימה ואכן, הצלחנו להראות שזירה של שלושה וגם ארבעה פוטונים. שמחנו מאוד שהצלחנו להשיג את התוצאה הזאת".

מטרה חשובה נוספת שהשיג המחקר היא הקטנת המערכת המקורית בצורה כזאת שתאפשר את ניידותה, ולכן תהווה צעד משמעותי אל עבר יישומן המעשי של מערכות עתידיות מן הסוג הזה. המערכת המקורית איתה הודגם רעיון השזירה המחזורית, נפרשה לאורך שבעה מטרים במעבדה. לראשונה, השימוש במקור של הקבוצה הצרפתית אפשר תיכנון שלם של המערכת המושתת רובו ככולו רק על שימוש ברכיבים של סיבים אופטיים.

הרעיון הבסיסי העומד במרכז המערכת הוא "מיחזור" הפוטונים - פוטונים שנוצרו בזמן מאוחר יותר יוכלו לפגוש בפוטונים שנוצרו מוקדם יותר. התוצאה הסופית הביאה להקטנה משמעותית בגודלה של המערכת, לכדי גודל של מחשב שולחני קטן, ובכך הוכיחה את האפשרויות היישומיות הגלומות במערכת. הקטנה זו של המערכת אפשרה למעשה את שליחתה בין המדינות (מישראל לצרפת), הישג חשוב ובר משמעות כשלעצמו.

הצעות והערות ניתן לשלוח לדואר אלקטרוני: computers@inn.co.il