אור חדש על תורת הקוונטים

הסיפור המוזר של פליטת אור מחלקיק קוונטי: החוקרים הראו כיצד גלי אור משתנים כתלות בתכונות הקוונטיות של החלקיקים הפולטים אותם, וכי ניתן לפרש את פליטת האור כהתממשות של תופעה קוונטית הנוגדת לגמרי את האינטואיציה שלנו: קריסת פונקציית הגל. החוקרים הראו גם קשר ישיר בין פליטת אור ובין שזירות קוונטית – התופעה העומדת בליבן של טכנולוגיות הצפנה ומחשוב קוונטיות.

דמיינו כי אתם מתבוננים בגל מים הפוגע בשובר גלים ובו שני סדקים, כך שלאחריו נוצרים שני גלי מים חדשים הבוקעים משני סדקים אלו. אם נתבונן בצורתם, נראה מקומות שבהם הגלים גבוהים יותר – ומקומות שבהם הגלים נעשו נמוכים. תופעה זו נקראת התאבכות: שני הגלים מסתכמים יחדיו במקומות מסוימים ומבטלים זה את זה במקומות אחרים. כעת, דמיינו כי אתם מתבוננים בכדורי טניס הנזרקים לעבר קיר ובו שני סדקים. ברור כי חלק מהכדורים יעברו דרך הסדק הראשון וחלקם דרך הסדק השני. הכדורים לא “יסתכמו יחדיו” או “יבטלו” זה את זה, כמו שגלים עושים.

לעומת זאת, תורת הקוונטים – התיאוריה הפיזיקלית המתארת את התכונות של חלקיקים זעירים – גורסת כי חלקיקים אלה עשויים לעיתים להתנהג כגלים. אם נבצע את ניסוי “שני הסדקים” עם חלקיקים קוונטיים נראה כי החלקיק הקוונטי מסוגל לעבור דרך שני הסדקים שבקיר בעת ובעונה אחת. בניסוי נצפה בתבנית התאבכות המורכבת לסירוגין מפסים בהירים – עדות לפגיעת החלקיקים במסך – ופסים חשוכים המעידים על מיקומים שבהם החלקיקים לא פגעו. בהירותם של הפסים מאוד דומה לגובהם של גלי המים לאחר הפגיעה בשובר הגלים עם שני הסדקים. עם זאת, קיים הבדל מהותי בין גלי המים ובין גלי החלקיקים של תורת הקוונטים. אם נתבונן באחד הסדקים שבהם עבר החלקיק הקוונטי, תבנית הפסים על המסך תיעלם. עצם התצפית שלנו במיקום החלקיק באחד מהסדקים תגרום לו לעבור בוודאות דרך הסדק שבו התבוננו: פתאום החלקיק הקוונטי מתנהג כמו כדור הטניס. תופעה מוזרה זו נקראת “קריסת פונקציית הגל”.

למרות ההתקדמות העצומה בהבנתנו את הפיזיקה הקוונטית, עדיין ייתכנו סתירות לכאורה בינה ובין הפיזיקה הקלאסית. למשל, בפיזיקה קלאסית ניתן למצוא את מסלולו ומהירותו של חלקיק הפולט אור, ולנבא מכך את אופיו של האור הנפלט ממנו. לעומת זאת, במכניקת הקוונטים אי אפשר למדוד את מיקומו ואת מהירותו של חלקיק קוונטי בעת ובעונה אחת (זהו עיקרון אי-הוודאות המפורסם של הייזנברג). כמו כן, לחלקיקים הקוונטיים תכונות גליות, והם משנים את תכונותיהם כאשר אנו “מתבוננים” בהם (קריסת פונקציית הגל).

 התאבכות גלי מים (משמאל), וניסוי שני הסדקים עם חלקיק קוונטי (מימין)

סדרת מחקרים בהובלת חוקרים מאוניברסיטת תל אביב, הטכניון ו-MIT הראו איך תכונות אלו של המכניקה הקוונטית משפיעות על האופן שבו חלקיקים פולטים אור. החוקרים הראו שתופעות רבות הקשורות לפליטת אור, שהוסברו באותו האופן ב-100 השנים האחרונות, יכולות להתנהג באופן שונה מאוד מהצפוי. זאת, עקב השפעת האופי הקוונטי של חלקיקי החומר על האור הנפלט מהם.

במחקרם הראשון מ-2019 ניסו החוקרים למדוד התאבכות של גלי אור הנפלטים מאלומת אלקטרונים (חלקיקים תת-אטומיים קוונטיים הטעונים במטען חשמלי). המחקר, שנערך בהובלה משותפת של ד”ר רואי רמז והדוקטורנט אביב קרניאלי ממעבדותיהם של פרופ’ עדי אריה מאוניברסיטת תל אביב ופרופ’ עדו קמינר מהטכניון, התפרסם בכתב העת היוקרתי Physical Review Letters. במחקר השתתפו גם ד”ר סיוון טרכטנברג-מילס, המסטרנט ניב שפירא וד”ר יוסי לריאה מאוניברסיטת תל אביב. באותו מחקר הראו החוקרים כי ההתאבכות של האור הנפלט אינה מתקבלת בניסוי. כאשר השתמשו בתורת הקוונטים כדי לתאר את תוצאות הניסוי הם גילו כי התיאוריה מנבאת אפקט דומה מאוד ל”קריסת פונקציית הגל”. ברגע פליטת האור, פונקציית הגל של האלקטרון “קורסת” לנקודה מסוימת במרחב, כאילו מישהו צפה באלקטרון במיקום זה בדיוק. על כן, פליטת האור כבר אינה מתרחשת מכמה נקודות בעת ובעונה אחת, וההתאבכות של גלי האור נעלמת.

 פליטת אור בפיזיקה קוונטית (מימין) לעומת פיזיקה קלאסית. בתנאים מסוימים, גל ההלם אינו נוצר במקרה הקוונטי.

מימין: אביב קרניאלי, ד”ר רואי רמז, פרופ’ עדי אריה, פרופ’ עדו קמינר וניקולס ריוורה

מחקר המשך שהתפרסם לאחרונה בכתב העת היוקרתי Science Advances הראה כי יכולת ההתאבכות של גלי האור בזמן, האחראית ליצירתם של גלי אור קצרים וחזקים (פולסים), יכולה להיעלם גם היא עקב עיקרון אי הוודאות של הייזנברג. המחקר החדש נערך בהובלת הדוקטורנט אביב קרניאלי ממעבדותיהם של פרופ’ אריה ופרופ’ קמינר ובשיתוף פעולה עם הדוקטורנט ניקולס ריוורה מ-MIT שבארה”ב. החוקרים הדגימו באופן תאורטי את היעלמות ההתאבכות של האור באמצעות אפקט אחר, הנקרא קרינת צ’רנקוב. נהוג להסביר את קרינת צ’רנקוב באנלוגיה למטוס סילון העוקף במהירותו את מהירות הקול ויוצר “בום על-קולי” הנקרא גם בשם גל הלם. באופן דומה, באפקט צ’רנקוב חלקיק העוקף את מהירות האור בתוך חומר שקוף אמור ליצור גל הלם – “בום על-אורי”. התגלית החדשה של החוקרים מפתיעה כי מתברר שקרינת צ’רנקוב כלל אינה גל הלם, כפי שחשבו מדענים מאז גילוי האפקט ב1934. האנלוגיה בין מטוס הסילון לחלקיק הקוונטי איננה נכונה. רק בתנאים מיוחדים – התלויים בתכונות אי-הוודאות של החלקיק הקוונטי הפולט – הקרינה תיפלט בצורה של גל הלם.

לבסוף, במחקר נוסף שהתפרסם לאחרונה אף הוא ב-Physical Review Letters, בהובלת הדוקטורנט אביב קרניאלי, פרופ’ אריה, פרופ’ קמינר והדוקטורנט ניקולס ריוורה, הצליחו החוקרים להראות כי כאשר אור נפלט בו זמנית משני אלקטרונים, תיתכן השפעה דרמטית של התכונות הקוונטיות של האלקטרונים על האור הנפלט. למשל, כאשר זוג אלקטרונים הם “שזורים קוונטית” – בעלי קשר הסתברותי קוונטי העומד בליבן של טכנולוגיות כגון הצפנה ומחשוב קוונטיים – ייפלטו, תחת תנאים מתאימים, גלי אור משני האלקטרונים יחדיו ונקבל התאבכות של אור התלויה באופן ישיר באופן שבו שני האלקטרונים היו “שזורים”. בצורה זאת, טוענים החוקרים, התבוננות באור הנפלט מחלקיקים שזורים יכולה לתת אינדיקציה למידת השזירות שלהם מבלי למדוד אותם ישירות: אפשרות שיכולה להיות חשובה לשימושים עתידיים באלקטרונים כנושאי מידע קוונטי.

פרופ’ עדי אריה מופקד על הקתדרה לננו-פוטוניקה ע”ש מרקו ולוסי שאול באוניברסיטת תל אביב. אביב קרניאלי הוא זוכה מלגת אדמס של האקדמיה הלאומית למדעים.

פרופ’ עדו קמינר הוא חבר סגל בפקולטה לפקולטה להנדסת חשמל ומחשבים ע”ש ויטרבי וחבר במכון לננוטכנולוגיה ע”ש ראסל ברי (RBNI) ובמרכז הקוונטום ע”ש הלן דילר.

 פליטת אור מזוג אלקטרונים שזורים קוונטית יכולה להעיד על מידת השזירות ביניהם