שזירה קוונטית:
לעשות את זה בגדול

שזירה קוונטית (entanglement) היא מצב שבו שני עצמים מקושרים ביניהם, כך שהתכונות או המצב של שניהם מסונכרנים, והם נשארים מסונכרנים גם כשמפרידים ביניהם. אפשר לדמות את זה לשני רקדנים המבצעים בדיוק את אותו ריקוד, וגם אם נשלח אחד לבואנוס איירס ואחד יישאר במצפה רמון, הריקוד שלהם יישאר מתואם: אם נתבונן ברקדן במצפה רמון, נוכל לדעת בדיוק מה הרקדן בבואנוס איירס עושה באותו זמן. 

עד כה הצליחו מדענים לשזור קוונטית רק עצמים קטנים מאוד: חלקיקים תת-אטומיים, אטומים שלמים או מולקולות קטנות. כעת הצליח צוות בהובלת חוקר ישראלי לבצע שזירה של עצמים גדולים בהרבה, שקוטרם בערך כעובי שערת אדם. 

מערכת הניסוי: שני התופים (בתחתית התמונה) מקבלים את גלי המיקרו דרך המתקן הספירלי | צילום: פלורנט לקוק / שלומי קוטלר / NIST

הך בתוף

את הצוות הוביל ד"ר שלומי קוטלר מהמחלקה לפיזיקה יישומית באוניברסיטה העברית בירושלים, במסגרת השתלמות פוסט-דוקטורט במכון האמריקאי לתקנים וטכנולוגיות (NIST) בקולורדו. התקן המחקר הוא שני קרומים דקיקים מאלומיניום, המזכירים את יריעות העור של תוף. קוטרם של הקרומים 10-20 מיקרון, כלומר בין מאית לשתי מאיות המילימטר. "זה אמנם נשמע קטן, אבל במונחים קוונטיים מדובר על מערכת גדולה מאוד", אמר קוטלר לאתר מכון דוידסון. "בדרך כלל מדברים על  שזירה של מולקולות עם כמה עשרות אטומים לכל היותר. בכל תוף כזה יש בערך טריליון אטומים". 

החוקרים הרטיטו את התופים באמצעות שליחת גלי מיקרו לעברם. במערכת קטנה מספיק, האנרגיה של הקרינה מספיקה כדי לגרום ליריעת המתכת של התוף לעלות ולרדת. אותם גלי מיקרו משמשים גם לרישום מצבו של התוף בכל זמן נתון, כמו מכ"מ: מדידת ההחזר מאפשרת לדעת את מיקום היריעה, ומדידת אפקט דופלר מאפשר לדעת אם היריעה עולה או יורדת. 

את הניסויים ביצעו החוקרים בטמפרטורה קרובה מאוד לאפס המוחלט, כדי להפחית ככל האפשר תנודות אקראיות של התופים וכדי לקבל שליטה טובה יותר בגלי המיקרו. כשהחוקרים הקרינו את שני התופים יחד, הם הצליחו ליצור מצב שבו שניהם מסונכרנים זה עם זה: כשהיריעה של תוף אחד הייתה למעלה ונעה כלפי מעלה, היריעה של התוף השני הייתה גם היא למעלה אבל נעה כלפי למטה, ולהיפך. במצב הזה ממדידת המיקום של היריעה של תוף אחד וכיוון התנועה שלה, יכלו החוקרים להסיק במדויק את מיקומה וכיוון תנועתה של יריעת התוף השני.

המחשה גרפית של העבודה: שני התופים שזורים, אך בצלליות נראים שני התופים המקוריים מתואמים | איור: ג'ק ברטראם / שלומי קוטלר / NIST

"מידת הצימוד מחושבת ממדידות רבות של המצבים של שני התופים. את כל הנתונים על שני התופים אפשר לשקלל למספר אחד שהוא מדד חוסר-התיאום בין התופים. אם מדד חוסר-התיאום גדול מ-0.5 התופים נמצאים במצב קלאסי שאיננו שזור. אם ערכו יורד מתחת ל-0.5, המערכת נמצאת במצב שזירה קוונטית", מסביר קוטלר. "אפשר להבין את מדד התיאום אם חושבים על הפרש המיקומים של היריעות של שני התופים. כאשר המדד יורד מחצי, ההפרש בין המיקומים שלהם קטן מפעמיים הקוטר של פרוטון יחיד. כשמדד חוסר-התיאום מגיע לאפס, השזירה מושלמת, אבל זה כמובן לא קורה, כי תמיד יש רעש במערכת פיזיקלית. עד כה לא הצליחו לשזור באופן דטרמיניסטי מערכות גדולות ולראות ישירות מדד קטן מ-0.5. אנחנו הצלחנו להגיע ל-0.18. יתרה מכך, המערכת נשארת שזורה בערך מאה מיקרו-שניות (0.0001 שניות). זה הרבה זמן במונחים קוונטיים, וגם ברמה המעשית ביישומים מסוימים – למשל במונחים של עיבוד מידע".

המחקר מקרב אותנו לתשובות על השאלות של שזירת עצמים גדולים ומציע גם יישומים מעשיים. ד"ר שלומי קוטלר | צילום: ברונו שרביט

תקשורת מאובטחת

מה עושים עם מערכת גדולה יחסית שאפשר ליצור בה שזירה קוונטית? החשיבות של הגילוי היא קודם כל בקידום המדע הבסיסי. "זה אתגר מדעי לשזור מערכות גדולות. אנו לא יודעים בדיוק מה הגבול העליון של גודל המערכות שאפשר לשזור, ומדוע אי אפשר לשזור שני עצמים יומיומיים, כמו מלפפונים למשל", אומר קוטלר. "המחקר אולי מקרב אותנו לתשובות בנושאים האלה". 

מעבר לכך, עשויים להיות למערכת כזו יישומים בטכנולוגיית מידע מתקדמות. "שימוש אפשרי אחד הוא מכ"מ קוונטי, המשדר אות למטרה ושומר באמצעות השזירה על האות ששודר, כך שאפשר להשוותו עם האות החוזר", אומר קוטלר. "אפשרות נוספת היא שזירה בין תופים שכל אחד מהם נמצא במחשב קוונטי אחר, או מערך שלם של תופים שזורים בתוך מחשבים, שאפשר להשתמש בו לעיבוד מידע. היתרון במערכת מַקרוסקופית כמו שלנו, היא שקל לייצר אותה בקלות ובכמויות גדולות, ואפילו להרכיב שבבי מחשב של מערכות כאלה". 

קל לייצר מערכות כאלה בכמויות גדולות. התיבה המכילה את מערכת הניסוי | צילום: גבריאל פיטרסון / שלומי קוטלר / NIST

תחום נוסף שעליו מדברים בהקשר של שזירה קוונטית הוא טֶלֶפּוֹרְטַצְיָה: העברת מידע למרחק במהירות עצומה, או אפילו "שיגור" עצמים באמצעות פירוקם לחלקיקים במקום מסוים והרכבתם ביעד מחלקיקים שזורים לחלקיקים המקוריים. אלא שטֶלֶפּוֹרְטַצְיָה כזו שייכת בינתיים רק לעולמות המדע הבדיוני. "במציאות אפשר לעשות טלפורטציה של מידע", מבהיר קוטלר, "וזה אחד האפיקים שאנו רוצים לקדם עם המערכת החדשה. אפשר עם שני תופים שזורים להעביר מיד מידע מקצה אחד של היקום לקצה אחר. למשל אפשר להשתמש בתוף אחד להפקת מספרים אקראיים, ובתוף השני לקריאתם. היתרון כאן של מערכת מַקרוסקופית, הוא שגלי המיקרו עמידים יותר בפני רעש, חבלה או גניבת מידע. במערכת קוונטית רגילה, עושים במקרים רבים שימוש בפוֹטוֹן (חלקיק אור) יחיד. אם הוא אובד בדרך, המידע אובד עמו. אנחנו משתמשים בגלי מיקרו מרובי פוטונים, כך שהמידע יותר עמיד בפני הפרעות סביבתיות, ונשמר טוב יותר".