השעון המדויק ביותר

קבוצת חוקרים אוסטרית, בראשות תומס מונץ (Monz) מאוניברסיטת אינסברוק, הצליחה לפתח שעון אטומי מדויק כמעט לגמרי, קרוב מאוד לגבול העליון של הדיוק שמכתיבים עקרונות מכניקת הקוונטים. בכך הם מימשו תהליך תיאורטי שהציעה קבוצת מדענים אחרת מאותה אוניברסיטה, בראשות פיטר צולר (Zoller). לצורך האופטימיזציה של השעונים האטומיים נעזרו המדענים בלמידת מכונה המשלבת מחשוב קוונטי, וייתכן כי אף מצאו דוגמה ממשית ליתרון קוונטי או עליונות קוונטית, כלומר יכולת שבה למחשב קוונטי יש עדיפות ברורה על פני מחשב דיגיטלי רגיל.

שעונים אטומיים הם הכלי המדויק ביותר שיש למדע כיום למדידת זמן התרחשותם של תהליכים פיזיקליים, כימיים וביולוגיים. השיפור המשמעותי ברמת הדיוק במדידת הזמן שאפשרו השעונים האטומיים פתח את הדלת לתגליות רבות ומגוונות: ממחקר מעמיק של רמות אנרגיה בגרעיני אטומים, דרך מדידה מדויקת מאוד של מרחקים, שמאפשרת לנו ללמוד על שינויים קלים בשדה הכבידה, ולפיכך על התנהגות הכבידה ותורת היחסות הפרטית והכללית, ועד לחקר יצורים חד-תאיים. הרבה מאוד מחקרים מדעיים כיום זקוקים למדידת זמן מדויקת במיוחד. על כן כל שיפור נוסף במידת הדיוק של שעונים אטומיים עשוי להניב פריצות דרך משמעותיות בתחומים רבים.

שיפור ברמת הדיוק של שעונים אטומיים מאפשר התקדמות בתחומי מדע מגוונים, ביניהם חקר שדה הכבידה באסטרונומיה. גלי כבידה סביב חור שחור | varuna, Shutterstock

שאיפה לדיוק מרבי

כל שעון משתמש לצורך מדידת הזמן בתהליך כלשהו המתרחש בטבע בקצב קבוע. דוגמאות מוכרות הן נפילה של גרגירי חול מבעד לפתח צר בשעוני חול, תנועת גלגל שיניים המסובב מחוג או מחזור של מטוטלת. כשמנסים לתכנן שעון מדויק במיוחד, מחפשים תהליכים מהירים מאוד שזמן ההתרחשות שלהם כמה שיותר אחיד. אחד התהליכים האלה הוא זמן המחזור של חלקיק אור (פוטון) שנפלט מאטום כלשהו, כלומר משך הזמן שבו האור מסיים מחזור גל אחד. לפי מכניקת הקוונטים, כל אטום יכול לפלוט פוטונים רק בתדירויות מסוימות מאוד, דהיינו בזמן מחזור מסוים מאוד של גל האור הנפלט.

כדי למדוד את תדירות האטום בשעונים שלהם, השתמשו מונץ ועמיתיו ביחידות העיבוד הבסיסיות של המחשבים הקוונטיים, שנקראות קיוביטים (ביטים קוונטיים) שצומדו לפוטון הנפלט, כלומר מבצעות איתו אינטראקציה. למדידת הזמן השתמשו באלגוריתם המודד את התדירות בדיוק רב, על ידי ניצול של המאפיינים הגליים של הקיוביטים. לקיוביט יש תכונות שמזכירות גל, ומכיוון שגל הוא תופעה מחזורית, אפשר להיעזר בו למדידת תהליכים מחזוריים אחרים, כמו במקרה שלנו.

המדענים השתמשו בכלים המגיעים מעולם המחשוב הקוונטי כדי למצוא את מערך הניסוי האופטימלי, שיביא את השעונים האטומיים לדיוק הגבוה ביותר שיכלו להשיג. כך הם הצליחו להגיע לדיוק טוב בערך כפליים מהשעון המדויק ביותר שהיה בנמצא עד כה, ולצמצם את הפער מהדיוק המרבי האפשרי בערך פי חמישה.

רמת הדיוק של כל שעון מוגבלת עקב הקושי לקבוע בוודאות כמה זמן נמשך מחזור אחד שלו. למשל בשעון מטוטלת, תנודות של האוויר והשפעות של חיכוך עשויות לשנות מעט את זמן המחזור של המטוטלת וליצור אי-דיוקים. הסטיות האלה נקראות "רעש" והן אלה שמגדירות את הדיוק המרבי שאליו שעון מטוטלת יכול להגיע.

בשעונים אטומיים, הדיוק הזה נקבע על ידי עקרון האי-ודאות של הייזנברג. העיקרון הבסיסי הזה של מכניקת הקוונטים קובע כי אם ברצוננו למדוד גודל מסוים בדיוק רב, נצטרך לשלם על כך מחיר בדמות הגדלת האי-ודאות של גודל אחר, כלומר, אם מדדנו בדיוק גודל אחד, לא נוכל לדעת את השני. בשעונים אטומיים, העיקרון בא לידי ביטוי בכך שבממוצע נדרש לאטום זמן ארוך מאוד לפלוט פוטון ("לדעוך"). כדי לשפר את הדיוק של השעונים עוד יותר נצטרך אטומים עם שגיאה גדולה אף יותר למשך הפליטה של הפוטון.

המדענים ניסו לשפר את רמת הדיוק של השעון האטומי בעזרת מחשוב קוונטי. שעון אטומי מבוסס צזיום עם שגיאה של שנייה אחת לכל 2 מיליון שנה | geogif, Shutterstock

דוגמה ליתרון קוונטי?

נוסף על השיפור במדידת הזמן, החוקרים סבורים שהצליחו להדגים לראשונה יתרון קוונטי, כלומר משימה שמחשבים רגילים מתקשים מאוד לבצע, אך מחשב קוונטי אמור להתמודד איתה בקלות. כל דוגמה כזאת, גם אם תוצאותיה לא יהיו שימושיות, תיחשב הישג משמעותי עבור תחום המחשוב הקוונטי, שעושה עדיין את צעדיו הראשונים.

לטענת החוקרים, השימוש שלהם במחשב הקוונטי היה דוגמה לפעולה כזאת – ולא סתם דוגמה, אלא גם יישום שימושי ומועיל. מציאת מערך הניסוי האופטימלי היא משימה שמסובך מאוד לחשב או לדמות באמצעות מחשב רגיל, שכן מעורבים בה הרבה מאוד משתנים. החוקרים הצליחו לדבריהם לגבור על הקושי הזה כשהשתמשו באלגוריתם למידת מכונה ששילב בתוכו פעולות של מחשב קוונטי.

הטענה הזאת זקוקה עדיין לאישוש. גם בעבר טענו חוקרים שהם הצליחו להשיג יתרון קוונטי, אך בכל המקרים הללו נמצאו לאחר מכן דרכים יעילות לבצע את אותן משימות גם במחשבים רגילים. כך שעד כה לא נמצאה משימה שבה למחשבים הקוונטיים הקטנים והראשוניים הקיימים כיום יהיה יתרון על פני מחשבי-על קלאסיים הנמצאים בשימוש נרחב.

לפיכך יכול מאוד להיות שבקרוב תימצא דרך לבצע גם על מחשב רגיל הדמיה שתאפשר למצוא את מערך הניסוי האופטימלי עבור שעונים אטומיים, כפי שעשו החוקרים מאוסטריה. אך גם אם יתברר שלא מדובר ביתרון קוונטי, יש כאן הישג חשוב – החוקרים מצאו וניסחו משימה חשובה ושימושית המותאמת מאוד למחשב קוונטי. אולי יודגם עבורה יתרון קוונטי כאשר הטכנולוגיה תשתפר מעט.