מדע במידות קטנות

כיום, האמירה שמה שנראה לעין הוא רק קצה הקרחון, אינה רק אמירה פילוסופית על אמת ומציאות. עבור פיסיקאים שעובדים בתחום המיקרוסקופי, זאת תפיסה שתוביל אותנו למהפכה קוונטית חדשה.

הכלים והטכנולוגיה שאנחנו מקבלים כמובנים מאליהם – מחשבים ניידים, האינטרנט, טלפונים ניידים, גאג'טים עם GPS, מוליכי-על ולייזרים – הם תוצרים של מהפכה מדעית שהתחילה לפני מאה שנה. היא מכונה "המהפכה הקוונטית הראשונה", ובמסגרתה הצליחו פיסיקאים  לנסח את החוקים המתארים חלקיקים מיקרוסקופיים כגון אטומים, אלקטרונים ופוטונים ושיתפו פעולה עם מהנדסים שתרגמו את התובנות האלה ליישומים בעולם האמיתי. הטכנולוגיות האלה נפוצות כל כך בחיינו המודרניים, ורובנו מרגישים שאנחנו בקושי עומדים בקצב ושהדבר הבא עוד מעט יגיע ויפתיע אותנו שוב. עדיין – זוהי רק ההתחלה.

אובייקטים מיקרוסקופיים אינם מצייתים לחוקי הפיסיקה הניוטונית הקלאסית המתארת את העקרונות המכניים של אובייקטים נראים לעין כגון עננים, ספלי קפה ואפילו תאים. המכניקה של אובייקטים מיקרוסקופיים סותרת גם את החוויה היומיומית שלנו. שלא כמו אובייקטים מַקרוסקופיים, שיכולים להיות רק במקום פיסי אחד בכל רגע נתון – הם פשוט שם ולא בשום מקום אחר – כל אחד מהחלקיקים המיקרוסקופיים המרכיבים את עולמנו המַקרוסקופי ואת האובייקטים בעלי הממדים האנושיים שבו, יכול להימצא בכמה מציאויות בעת ובעונה אחת, ואנחנו יכולים לדבר על המיקום שלו במונחים הסתברותיים בלבד. התופעה הזאת ידועה בשם 'סופרפוזיציה', ופיסיקאים עמלים על אפיון התופעה ותופעות נוספות בעולם המיקרוסקופי, בתקווה להבין את מלוא הפוטנציאל שלהן. פירוש הדבר הוא שהמהפכה הקוונטית השנייה כבר בדרך.

"כשמדברים על סופרפוזיציה, המדע נהיה ממש מוזר", אומר פרופ' רועי עוזרי מהמחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות. "יש ננו-חלקיקים שאפשר לחשוב עליהם כמו על גלים דמויי חלקיקים, שיכולים להיות במצבים שונים ועם אנרגיות שונות בנקודות שונות ולנוע במהירויות שונות – ואפילו להיות בשני מקומות בבת אחת".

הסופרפוזיציה מייחסת לחומר מעין גמישות במרחב ובזמן, ולכן פיסיקאים רואים בה אחת משתי התופעות העומדות בלב ההתנהגות הקוונטית. התופעה השנייה היא העובדה שחלקיקים קוונטיים יכולים להיות מחוברים באופן עמוק זה לזה בלי שתהיה ביניהם אינטראקציה פיזית ישירה. אי אפשר לאפיין חלקיקים קוונטיים כישויות נפרדות מבני הזוג שלהם – כמו אוהבים רחוקים שמרגישים שבן הזוג הוא מעין שלוחה שלהם עצמם. העיקרון הזה נקרא 'שזירה' (entanglement).

שני עקרונות אלה – סופרפוזיציה ושזירה – הם הבסיס למהפכה הקוונטית השנייה. בעידן החדש הזה, המדענים עמלים על פיתוח אמצעים כדי להתבונן באלקטרון בודד, בפוטון בודד או בחלקיקים מיקרוסקופיים אחרים, לבצע בהם  מניפולציות ולשלוט בהתנהגותם. יתרה מזאת, הם מנסים לשלוט בהתנהגות הקוונטית של מערכות המורכבות מאטומים או אלקטרונים רבים, מהפרט אל הכלל.

קפיצה בסדרי גודל

מהן ההשלכות של המחקר הקוונטי? המהפכה השנייה אמורה להביא טכנולוגיות שיידעו לעשות כל מה שהטכנולוגיות הנוכחיות יודעות לעשות, אבל הרבה יותר מהר וביעילות ועוצמה מדהימות. הן יפתרו בעיות ויבצעו משימות שאפשר רק לדמיין אותן כיום. היבטים בסיסיים רבים של הקיום שהמערכות הקלאסיות לא יכולות לקלוט, לתעד, לחשב או לנתח – תופעות שהן מסובכות, מורכבות או גדולות מדי, או לחלופין, רגישות ועדינות מכדי לאפשר צפייה בהן – זמינים עכשיו למחקר של המהפכה הקוונטית השנייה. התוצאה המקווה היא שהכל יהיה טוב ומהיר יותר: ההצפנה והעברת המידע, החיישנים, המחשבים והמון מכשירים.

ביצועי המחשבים הקוונטיים במשימות חישוביות אמורים להיות טובים משל המחשבים הקלאסיים בזכות יכולתם לבצע מספר גדול אקספוננציאלית של חישובים במקביל. טכנולוגיית המידע הקוונטית אמורה להבטיח פרטיות ואבטחה הדוקות יותר על ידי הצפנה ברמות מדהימות. סימולטורים קוונטיים יהיו ברכה למדע, כי הם יאפשרו לחוקרים לדמות חומרים או תרכובות כימיות ולפתח חומרים חכמים חדשים – מתאים סולריים עד ננו-תרופות. בינתיים, חיישנים קוונטיים יקפיצו את חקר המדע והגיאוגרפיה קדימה, עם מדידות רגישות ומדויקות במיוחד של חלקיקים תת-אטומיים. המחקר הקוונטי ישפוך אור – גם במובן המילולי של הביטוי – על שדות כבידה, על שדות מגנטיים ועל קבועים פיסיקליים בסיסיים בקני המידה הזעירים ביותר.

בגופים מסחריים ובאקדמיה כבר התחיל המרוץ ליצירת המכשירים הקוונטיים הראשונים. פיסיקאים ומדעני מחשב במכון ויצמן מובילים בראש התחום. כבר יש להם היסטוריה של ראשוניות שמתחילה ב-WEIZAC, המחשב הראשון במזרח התיכון ואחד הראשונים בעולם, וכוללת גם את אלגוריתם ההצפנה RSA שפותח בשנות השבעים על ידי פרופ' עדי שמיר ושני עמיתים ב-MIT ונעשה הבסיס לטרנסאקציות ממוחשבות מאובטחות. כיום מתקיים במכון מחקר פורץ דרך במערכות קוונטיות על ידי מומחים בפיסיקה ניסויית ותיאורטית. שני תחומים בפיסיקה מניחים את היסודות לעידן הקוונטי: מערכות אטומיות, מולקולריות ואופטיות (AMO‏ - Atomic, Molecular and Optical) ומערכות חומר מעובה (CM‏ – Condensed Matter).

ההבטחה הגלומה בפוטונים

רבים ממכשירי ההיי-טק שאנחנו משתמשים בהם עובדים בזכות מיליארדים רבים של פוטונים – הקוונטום (או החלק) הבלתי נראה הקטן ביותר של האור. מדוע הפוטונים חשובים? מסתבר שהם המועמדים הטובים ביותר להעברת מידע קוונטית למרחקים ארוכים: הם קלים במיוחד, מסוגלים לנוע במהירות עצומה, אין להם אינטראקציה עם הסביבה כמעט ואפשר להוביל אותם בסיבים אופטיים. באופן מפתיע למדי, האפקטים החזקים ביותר נוצרים כשעובדים עם פוטון בודד.

מזה זמן מה כבר אפשר ליצור פוטונים מבודדים, אבל הם עדיין לא עובדים כל כך טוב. החוקרים עדיין מנסים להבין איך אפשר ליצור ביעילות הרבה פוטונים בודדים. פרופ' ברק דיין מהמחלקה לפיסיקה כימית וביולוגית נמנה עם חוקרי ה-AMO המתמודדים עם האתגר הזה במכון. הוא וד"ר סרג' רוזנבלום שהצטרף למכון לאחרונה, עבדו יחד והצליחו לבודד פוטון אחד מהבזק של אור.

יחד עם זאת, חוסר האינטראקציה של הפוטונים הקשה על החוקרים שמקווים לבנות סביבם אינטרנט. פרופ' דיין וד"ר עופר פירסטנברג מהמחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות מנסים לבנות מכשירים וטרנזיסטורים המבוססים על פוטונים. הם מצאו דרכים לאלץ את הפוטונים להיכנס לאינטראקציה לפי דרישה וגילו טרנזיסטור של אור שבו אטומים מתווכים באינטראקציות שבין הפוטונים. לטכניקות מסוג זה יש פוטנציאל לאפשר ביצוע של אלגוריתמים קוונטיים באמצעות אור, והן יכולות לעזור לשלב בין מחשבים קוונטיים ואינטרנט קוונטי וליצור את כוח התקשורת של המחר. במחקר שפורסם לאחרונה ב-Nature Physics, פרופ' דיין תיאר איך הצליח ליצור "שער לוגי" שבו פוטון ואטום מחליפים ביניהם באופן אוטומטי את המידע שהם נושאים, ויש לו השלכות חשובות על יצירת מחשבים קוונטיים.

העולם הנסתר של האלקטרונים

במשך עשרות שנים ערכו פיסיקאים במכון ויצמן ניסויים באלקטרונים, באטומים ובכל מה שהם יודעים לעשות: האינטראקציה ביניהם, יכולתם להתחלק וההתנהגות הייחודית להם. ההתפתחויות בתחום הזה, תחום הפיסיקה של חומר מעובה, הובילו להתמקדות חשובה במה שנקרא "אינטרפרומטריה אלקטרונית" – חקר התכונות הגליות של האלקטרונים והאינטראקציה שלהם עם הסביבה. פרופ' מוטי הייבלום מהמחלקה לפיסיקה של חומר מעובה ורבים מעמיתיו קידמו את התחום לנקודה שבה אפשר לשלוט באלקטרונים, לבצע בהם מניפולציות ולהשתמש בהם.

תחום המחקר הזה הוביל לפיתוח חומרים מתוחכמים מוליכים למחצה ולננו-טכנולוגיה המודרנית. אבל זו רק ההתחלה.

תחום המחקר החדש יחסית של מצבים טופולוגיים של החומר צופן בחובו הבטחה ליצירת מחשבים קוונטיים. בחומרים ובמצבים טופולוגיים מתקיים סדר שונה מזה שקיים בחומרים הרגילים: התנהגות האלקטרונים שעל פני החומר שונה מהתנהגות האלקטרונים שבתוך החומר. אפשר למנף את טבעם המיוחד של החומרים והמצבים הטופולוגיים האלה וליצור חומרים חדשים. ד"ר בינגהיי יאן מהמחלקה לפיסיקה של חומר מעובה נע בין העולם התיאורטי, שבו הוא מנסה להסביר כיצד מצבים אלה עובדים, והעולם הניסויי, שבו הוא בודק איך אפשר ליצור מהחומרים האלה חומרים חדשים ומכשירים חדשים כגון מחשבים קוונטיים.

ד"ר יאן נולד בסין והצטרף למכון ויצמן לפני מספר שנים. מה שמשך אותו למכון היה המומחיות הנדירה של חוקריו בתחום המיקרוסקופי, ובפרט בחומרים טופולוגיים. ד"ר יאן משתף פעולה עם חלוצים בתחום, ובכלל זה עם פרופ' עדי שטרן מהמחלקה לפיסיקה של חומר מעובה, שהצליח להסביר איך מצבים טופולוגיים עובדים במערכות אלקטרוניות שהתכונות החשמליות שלהן אדישות באופן מפתיע לשינויים בפרמטרים ובתנאים הסביבתיים – תכונות שעשויות להיות חשובות מאוד בתכנון מחשבים קוונטיים.

Dr. Ofer Firstenberg is supported by the Laboratory in Memory of Leon and Blacky Broder, Switzerland, the Sir Charles Clore Research Prize, and the European Research Council.

Prof. Moty Heiblum is the incumbent of the Alex and Ida Sussman Professorial Chair of Submicron Electronics.

Prof. Roee Ozeri is supported by the Clore Center for Biological Physics, the Crown Photonics Center, and the European Research Council.

Prof. Ady Stern is supported by the Benoziyo Endowment Fund for the Advancement of Science, the Veronika A. Rabl Physics Discretionary Fund, the Zuckerman STEM Leadership Program, and the European Research Council.

Dr. Binghai Yan is supported by the Ruth and Herman Albert Scholars Program for New Scientists and the Willner Family Leadership Institute for the Weizmann Institute of Science.