החתול של שרדינגר קם לתחיה בדמות חלקיקים במעבדותיהם של זוכי פרס נובל לפיסיקה לשנת 2012

החתול של שרדינגר קם לתחיה בדמות חלקיקים במעבדותיהם של זוכי פרס נובל לפיסיקה לשנת 2012
מאת ד"ר משה נחמני שלישי, 16 אוקטובר 2012 00:01

פרדוקס החתול של שרדינגר, מתוך מצגת פרס נובל באתר ועדת פרס נובל

שליטה בחלקיקים בעולם הקוונטי

סרג' הרוש ודיויד ווינלנד המציאו ופיתחו באופן נפרד שיטות מהפכניות למדידה ולשליטה בחלקיקים פרטניים תוך שמירה על אופיים הקוונטו-מכאני, באופנים שנחשבו עד כה לבלתי אפשריים.

ווינלנד והרוש פתחו את הצוהר לעידן חדש של ניסויים בתחום של פיזיקה קוונטית באמצעות הדגמת תצפית ישירה במערכות קוונטיות פרטניות מבלי להרוס אותן. בעזרת שיטות המעבדה הגאוניות שלהם הם הצליחו למדוד את ולשלוט במצבים קוונטיים עדינים מאוד, תוצאה הגורמת לתחום המחקר שלהם לצעוד את צעדיו הראשונים לעבר פיתוח סוג חדש של מחשב מהיר במיוחד המבוסס על פיזיקה קוונטית. השיטות שלהם גם תרמו לבנייתם של שעונים מדויקים במיוחד שיוכלו להוות את הבסיס העתידי לתקן החדש של מדידת הזמן, עם דיוק הגבוה פי מאה מאשר שעוני הצזיום דהיום.

חוקי הפיזיקה הקלאסית אינם חלים על חלקיקים בודדים של אור או חומר, ובנקודה זו משתלטים עליהם חוקי הפיזיקה הקוונטית. אולם, לא קל לבודד חלקיקים פרטניים מהסביבה הסמוכה אליהם והם מאבדים עד מהרה את התכונות הקוונטיות המסתוריות שלהם מרגע שהם באים במגע עם העולם שמסביבם. לפיכך, הרבה תופעות הנראות בעינינו מוזרות ואשר חזויות על פי המכאניקה הקוונטית, אפילו אינן ניתנות לתצפית ישירה, והמדענים יכולים כיום לבצע רק "ניסויי חשיבה" שעשויים לרמוז על קיומן של תופעות מוזרות אלו.

שני חתני הפרס עוסקים בתחום של אופטיקה קוונטית, תחום הבוחן את יחסי הגומלין הבסיסיים שבין אור לחומר, תחום שהתקדם באופן משמעותי מאז אמצע שנות השמונים. לשיטות שלהן יש מאפיינים דומים. דיויד ווינלנד הצליח ללכוד אטומים טעונים חשמלית, או בשמם המוכר יונים, תוך שליטה במדידה שלהם באמצעות אור, או פוטונים. סרג' הרוש נקט בגישה ההפוכה – הוא שולט ב- ומודד פוטונים לכודים, או חלקיקים של אור, בעזרת העברת אטומים דרך מלכודת.

שליטה על יונים פרטניים בתוך מלכודת

במעבדתו של דיויד ווינלנד, בבולדר קולורדו, יונים נשמרים בתוך מלכודת באמצעות הקפתם ע"י שדות חשמליים. החלקיקים מבודדים מהחום ומהקרינה של סביבתם ע"י ביצוע הניסויים בואקום בטמפרטורות נמוכות במיוחד.

אחד מהסודות שמאחורי פריצת הדרך של ווינלנד הוא הבקיאות באומנות השימוש באלומות לייזר וביצירת פעימות לייזר. הלייזר משמש עבור דיכוי תנועתם התרמית של היונים בתוך המלכודת, תוך אילוץ היון להגיע למצבו האנרגטי הנמוך ביותר שם ניתן לבחון את התופעות הקוונטיות שלו. שימוש בפעימת לייזר מדויקת מאפשר להעביר את היון לריכוב מצבים (superposition) שהוא התקיימות בו-זמנית של שני מצבים מובדלים לחלוטין. לדוגמה, היון יכול להתמקם בשתי רמות אנרגיה שונות. היון נמצא בתחילה ברמת האנרגיה הנמוכה ביותר ופעימת הלייזר "מקפיצה" אותו לאמצע הדרך לעבר רמת האנרגיה הגבוהה יותר, כך שהוא נותר "תלוי" בין שתי הרמות בריכוב של מצבי אנרגיה, ובעל סבירות זהה להתמקם בסופו של דבר במי משתי הרמות הללו. בשלב זה ניתן לבחון את ריכוב המצבים הקוונטי של מצבי האנרגיה של היון.

שליטה על פוטונים פרטניים בתוך מלכודת

סרג' הרוש וקבוצת המחקר שלו מיישמים שיטה שונה לשם חשיפת הסודות של העולם הקוונטי. במעבדתם שבפריז, פוטונים שמקורם בגלי-מיקרו מקפצים הלוך ושוב בתוך חלל זעיר שבין שתי מראות המופרדות זו מזו במרחק של 2 ס"מ. המראות מורכבות מחומר על-מוליך והן מקוררות לטמפרטורה הנמצאת מעט מעל האפס המוחלט. מראות על-מוליכות אלו הן המלוטשות והמבריקות ביותר בעולם – פוטון יחיד יכול לקפץ הלוך ושוב בתוך החלל למשך זמן של עשירית השנייה אז הוא דועך או נספג. זמן החיים הזה, המהווה שיא עולמי, משמעו כי הפוטון יכול היה לעבור מרחק של 40 אלף קילומטרים, מרחק השווה בגודלו לסיבוב אחד סביב כדור הארץ.
מתוך מצגת פרס נובל באתר ועדת הפרס

המחשת עבודתו של פרופ' סרג' הרוש, מתוך מצגת פרס נובל באתר ועדת הפרס

בזמן חיים ארוך זה ניתן לבצע ניסויים קוונטיים רבים עם הפוטון הלכוד. הרוש הכין אטומים מיוחדים המכונים "אטומי רידברג" שמטרתם הן לשלוט והן למדוד את התנהגותו של פוטון גלי-המיקרו הנמצא בחלל. לאטום רידברג יש רדיוס של 125 ננומטרים שהוא פי אלף גדול יותר מאשר הרדיוס של אטומים רגילים. אטומים "ענקיים" אלו, יחסית, מוזרמים במהירות מבוקרת, אחד אחר השני, לעבר החלל ושם ניתן לבחון את יחסי הגומלין שלהם עם הפוטון הלכוד.

אטומי הרידברג נכנסים ויוצאים מהחלל תוך שהם מותירים שם את הפוטון הלכוד. אולם, יחסי הגומלין שבין הפוטון לבין האטום גורמים לשינוי במופע (פאזה) המצב הקוונטי של האטום: אם נחשוב על מצבו הקוונטי של האטום כעל גל, הרי שנקודות השיא והשפל שלו יוסטו במידה מסוימת. סטייה זו במופע ניתנת למדידה כאשר האטום מתקיים בחלל, ועל ידי כך ניתן לגלות אם הפוטון אכן נמצא בחלל, אם לאו. כאשר אין שם פוטון, ברור מאליו כי לא תהייה כל סטייה. כלומר, בשיטה של הרוש ניתן למדוד פוטון מבלי להרוס אותו.

בעזרת שיטה דומה הרוש וקבוצת המחקר שלו יכולים לספור את הפוטונים הנמצאים בתוך החלל, ממש כמו ילד הסופר את הגולות שלו. זה נשמע פשוט, אולם הדבר דורש מיומנות וכישורים יוצאי דופן מאחר ופוטונים, שלא כמו גולות, נהרסים מידית לאחר שהם באים במגע עם העולם הסובב אותם. על סמך שיטת ספירת הפוטונים שלו, הרוש ועמיתיו למחקרים פיתחו שיטות למעקב אחר התפתחותו בזמן של מצב קוונטי פרטני, צעד אחר צעד, בזמן אמת.

הפרדוקסים של מכאניקת הקוונטים

מכאניקת הקוונטים מתארת עולם מיקרוסקופי שאינו גלוי לעין הרגילה, שם מתרחשים אירועים הנוגדים את הציפיות והניסיון שלנו מתוך תופעות פיזיקליות בעולם המקרוסקופי, הקלאסי. פיזיקאים בעולם הקוונטי משלימים עם רמה מסוימת של אי-ודאות או אקראיות המובנות בתוך המערכות של עולם זה. אחת הדוגמאות להתנהגות הפוכה מהצפוי היא מה שמכונה "ריכוב-מצבים" שבו חלקיק קוונטי עשוי להיות בו זמנית במספר מצבים שונים. אנחנו לא חושבים באופן רגיל שגולה יכולה להימצא גם "כאן" וגם "שם" באותו הזמן, אולם זהו בדיוק המקרה אם הייתה זו "גולה" קוונטית. ריכוב המצבים של הגולה אומר לנו מה תהיה הסבירות המדויקת להימצאותה "כאן" או "שם", אם יכולנו למדוד זאת.

מדוע מעולם לא היינו מודעים לעובדות מפתיעות אלו על העולם שלנו? מדוע אנחנו לא יכולים לצפות בריכוב מצבים של גולה קוונטית בחיי היומיום שלנו? הפיזיקאי האוסטרי, חתן פרס הנובל (לפיזיקה בשנת 1933) ארווין שרדינגר נאבק קשות בשאלות אלו. בדומה לחלוצים רבים אחרים של תיאוריית הקוונטים, הוא נאבק בכדי להבין ולפרש את ההשלכות של עולם זה. בשנת 1952 הוא כתב: "אנו לעולם לא מבצעים ניסויים עם אלקטרון או אטום יחיד או עם מולקולה קטנה יחידה. בניסויים מתוכננים לעילא אנו לעיתים סבורים כי אנו עושים כן; זה תמיד מוביל לתוצאות מגוחכות…".

על מנת לתאר את התוצאות המגוחכות של המעבר בין מיקרו-העולם של הפיזיקה הקוונטית למקרו-העולם הרגיל שאותו אנו חווים ביומיום, שרדינגר הגה ניסוי מחוכם במיוחד עם חתול: החתול של שרדינגר נמצא בתוך ארגז המבודד לחלוטין מהעולם שבחוץ. בארגז נמצא גם בקבוק של ציאניד קטלני המשתחרר לאחר הדעיכה של אטום רדיואקטיבי מסוים, הנמצא גם הוא בארגז.

הדעיכה הרדיואקטיבית מוכתבת ע"י החוקים של פיזיקת הקוונטים, שעל פיהם החומר נמצא בריכוב מצבים שבו הוא גם הספיק לדעוך וגם עדיין לא דעך. לפיכך, גם החתול אמור להיות בריכוב מצבים של היותו גם חי וגם מת. עכשיו, אם נסתכל לתוך הארגז אנו מסתכנים בהריגת החתול מכיוון שריכוב המצבים הקוונטי הוא כה רגיש ליחסי גומלין עם העולם שבחוץ עד כי כל ניסיון להסתכל בחתול יביא מידית לקריסת המצב הכפול ולקבלת רק אחד מהם – חתול חי או חתול מת. בעיניו של שרדינגר, ניסוי מחוכם זה מוביל למסקנה מגוחכת, ונטען כי לאחר מכן הוא התנצל על שהוא הרחיב את הבלבול בתחום הפיזיקה הקוונטית.

שני חתני פרס הנובל לשנת 2012 הצליחו למפות את המצב הקוונטי הכפול של החתול בזמן חשיפתו לעולם שבחוץ. הם הגו ניסויים יצירתיים והצליחו להוכיח בפרטי פרטים כיצד פעולת המדידה עצמה גורמת למעשה לקריסתו של המצב הקוונטי ולאובדן אופיו של ריכוב המצבים. במקום להשתמש בחתול של שרדינגר, ווינלנד והרוש לכדו חלקיקים קוונטיים והציבו אותם בריכוב מצבים הדומה למצב הכפול של החתול. העצמים הקוונטיים הללו הם לא באמת מקרוסקופיים כדוגמת החתול, אולם הם עדיין גדולים יחסית במושגים של העולם הקוונטי.

בתוך החלל של הרוש מוצבים פוטונים במצבים הדומים למצב הכפול של החתול כאשר המופעים שלהם מנוגדים זה לזה בו זמנית, כעין שעון עצר שבו המחט נעה הן בכיוון השעון והן נגד כיוון השעון בו-זמנית. שדה הפוטונים המתקיים בחלל נבחן לאחר מכן ע"י אטומי רידברג. התוצאה מכך היא עוד תופעה קוונטית בלתי מובנית המכונה "שזירה קוונטית" (Quantum Entanglement). שזירה זו תוארה גם ע"י שרדינגר והיא עשויה להתרחש בין שני חלקיקים קוונטיים או יותר שאינם נמצאים במגע ישיר זה עם זה, אך עדיין יכולים "לחוש" ולהשפיע על תכונותיו של החלקיק האחר. השזירה של שדה גלי-המיקרו ושל אטומי רידברג מאפשרים להרוש למפות את מאפייניו של המצב הכפול בתוך החלל, תוך מעקב אחריו צעד אחר צעד, אטום אחר אטום, בעודו עובר ממצב של ריכוב מצבים קוונטי למצב מוגדר היטב המובן לנו בהתאם לחוקי הפיזיקה הקלאסית.

על סיפה של מהפכת מחשוב חדשה

יישום אפשרי אחד של מלכודות היונים שמדענים רבים חולמים עליו הוא מחשב קוונטי. במחשבים המשמשים אותנו כיום בחיי היומיום יחידת המידע הקטנה ביותר היא סִבִּית (ספרה בינרית, bit) המקבלת את הערך של אחד או אפס. אולם, במחשב קוונטי, יחידת המידע הבסיסית – קיוביט (סיבית קוונטית, qubit) – יכולה להיות אחד או אפס בו זמנית. שני קיוביטים יכולים להיות בו זמנית בעלי ארבעה ערכים שונים – 00, 01, 10 ו- 11 – וכל קיוביט נוסף מכפיל את מספר המצבים האפשריים. עבור nקיוביטים קיימים 2n מצבים אפשריים, ומחשב קוונטי בעל 300 קיוביטים בלבד יכול להכיל 2300 ערכים בו זמנית, יותר ממספר כל האטומים ביקום.

קבוצתו של ווינלנד הייתה הראשונה אי פעם בעולם להדגים פעולה קוונטית בעלת שני קיוביטים. מאחר שהושגו כבר פעולות שליטה במספר קיוביטים, בעיקרון אין כל סיבה להאמין שהדבר לא יהיה אפשרי עבור פעולה כזו על מספר קיוביטים רב יותר. אולם, בכדי לבנות מחשב קוונטי מעין זה, יש להתגבר על אתגרים מעשיים כבירים. אתגר אחד הוא להשיג שתי דרישות מנוגדות: יש צורך כי הקיוביטים יהיו מבודדים כהלכה מסביבתם על מנת שהתכונות הקוונטיות שלהם לא ייהרסו, ובה בעת הם חייבים להיות מסוגלים לתקשר עם העולם שבחוץ לשם העברת תוצאות החישובים שנעשו בעזרתם. ייתכן כי המחשב הקוונטי הראשון אכן ייבנה במאה הזו. אם אכן כך יקרה, הוא אמור לשנות את החיים שלנו באותה צורה קיצונית שבה שינה המחשה הקלאסי את חיינו במאה הקודמת.

שעונים חדשים

ווינלנד וקבוצת המחקר שלו השתמשו ביונים לכודים גם על מנת לבנות שעון המדויק פי אלף יותר מאשר השעונים האטומים דהיום המהווים את תקן יחידת הזמן שלנו. הזמן העולמי, השעה, נשמר ע"י כיוון כל השעונים יחסית אל תקן יחיד. שעונים אטומים, שעוני צזיום, פועלים בטווח גלי-המיקרו, בעוד ששעוני היונים של ווינלנד עושים שימוש באור הנראה – ומכאן שמם: שעונים אופטיים. שעון אופטי יכול להכיל יון לכוד אחד או שניים בלבד. כאשר משתמשים בשני יונים, אחד משמש כשעון והשני משמש לקריאת השעון מבלי להרוס את מצבו, או לגרום לו לפספס שנייה.

בזכות מדידות זמן כה מדויקות, ניתן היה לצפות בתופעות טבע עדינות ומופלאות כגון שינויים בזרימת הזמן, או שינויים זעירים בכבידה, במרקם של חלל-זמן. בהתאם לתיאוריית היחסות של איינשטיין, הזמן מושפע מתנועה ומכבידה. ככל שהמהירות גבוהה יותר וככל שהתנועה חזקה יותר, מעבר הזמן הופך לאיטי יותר. אנו אולי לא ממש מודעים להשפעות הללו, אולם הם הפכו לחלק אמיתי מחיי היומיום לנו. כאשר אנו מנווטים בעזרת נווטן GPS, אנו מסתמכים על אותות זמן המגיעים מלוויינים בעלי שעונים העוברים כיוון בקצב סדיר, מאחר והכבידה היא מעט חלשה יותר בשמיים. בעזרת שעון אופטי ניתן למדוד את ההבדלים במעבר הזמן כאשר מהירות השעון משתנה בפחות מעשרה מטרים לשנייה, או כאשר הכבידה משתנה כתוצאה מהבדל בגבהים בערכים של 30 ס"מ בלבד.