אשכולות של פוטונים שזורים

פיתוח חדש של חוקרי הפקולטה לפיזיקה והמכון למצב מוצק בטכניון: הֶתְקֵן ראשון מסוגו הפולט באופן רציף פוטונים בודדים וזהים במצבי אשכול שזורים. הפיתוח החדשני, שהתפרסם בכתב העת Nature Photonics, הוא הישג נוסף בשרשרת ההישגים המדעיים של קבוצת המחקר של פרופ’ דוד גרשוני. המחקר בוצע בהובלתו של ד”ר דן קוגן ובהשתתפותם של ד”ר זו-אן סו וד”ר עודד קנת.

פרופ’ דוד גרשוני

פוטון הוא חלקיק אור, ופירוש הדבר שהוא החלק היסודי של האור – לא יתכן “אור מחצי-פוטון”. כמות האנרגיה שנושא פוטון בודד קרויה קוונטה – היא גדלה ביחס ישר לתדירות האור ונמצאת ביחס הפוך לאורך הגל של האור.

פוטונים שזורים (entangled photons) הם פוטונים המקיימים ביניהם קשר קוונטי ייחודי – מדידת מצבו של אחד מקבעת את מצבם של האחרים גם אם הם נמצאים מרחק שנות אור רבות מהפוטון הנמדד. במילים אחרות, מגבלת מהירות האור אינה חלה כביכול על הקשר בין פוטונים שזורים.

שזירות קוונטית בין חלקיקים נובעת מהתיאוריה הפיזיקאלית של מכניקת הקוונטים שנוסחה על ידי נילס בוהר, ורנר הייזנברג וארווין שרדינגר בשנות ה-20 של המאה הקודמת. בניגוד למכניקה הקלאסית, תורת הקוונטים איננה דטרמיניסטית והיא מתארת את הטבע באופן הסתברותי. אלברט איינשטיין התנגד לרעיון זה וטען כי “אלוהים איננו משחק בקוביות”. הוא טען שתורת הקוואנטים איננה שלמה והתווכח על כך במשך שנים רבות  עם נילס בוהר שהגן על התורה החדשה. מספרים שבוהר השיב לו: “איינשטיין, אל תגיד לאלוהים מה לעשות”.

ב-1935 ניסח איינשטיין את התנגדותו במאמר נודע שפרסם עם בוריס פודולסקי ונתן רוזן, לימים ממייסדי הפקולטה לפיזיקה בטכניון והדיקן הראשון שלה. המאמר זכה לכינוי “פרדוקס EPR” – האותיות הראשונות בשמות המחברים איינשטיין, פודולסקי ורוזן. הפרדוקס התבטא בכך שאם אכן קיימת שזירות, הרי שדי במדידת חלקיק במקום מסוים בכדי לקבוע את מצבו של חלקיק השזור אליו במקום אחר. מדובר בהשפעה מיידית שאינה כפופה כביכול למגבלת מהירות האור, דבר הנוגד את חוקי הטבע לפי תורת היחסות. לכן הסיק איינשטיין שמכניקת הקוונטים איננה תורה מלאה, ואת השזירות כינה “מעשה כשפים במרחב” (spooky action at a distance). נילס בוהר טען בתגובה כי אותה פעולה מרחוק דווקא אפשרית משום שאינה מבוססת על “השפעה מכאנית” אלא על “השפעה לוגית”. איינשטיין לא נותר חייב והגדיר את תגובתו של בוהר כ”פלפול תלמודי”.

ד”ר דן קוגן

בשנת 1962 הראה הפיזיקאי האירי ג’ון בל כי את מחלוקת איינשטיין-בוהר אפשר לבדוק באופן ניסויי. הוא הוכיח כי אם הקורלציות המדודות בין שני חלקיקים סותרות אי-שוויון מתמטי, שני חלקיקים אלה חייבים להיות שזורים. הרעיון של בל נבדק בשורה של ניסויים שנערכו בשנות ה-70, ה-80 וה-90 של המאה הקודמת על ידי ג’ון קלאוזר, אלן אספה ואנטון ציילינגר, חתני פרס נובל לפיזיקה ב-2022. הפרס, שניתן להם על “ניסויים עם פוטונים שזורים, הוכחת סתירת אי השוויון של בל והחלוציות במדע האינפורמציה הקוואנטית”, מבטא את הכרת הקהילה המדעית בצדקתו של נילס בוהר ובחשיבותה של תופעת השזירות הקוונטית.

העבודה הנוכחית של קבוצת המחקר של פרופ’ גרשוני מהווה הלכה למעשה את הדרך הטובה ביותר כיום לייצר באורח דטרמיניסטי פוטונים שזורים ולהשתמש בהם לצורכי עיבוד אינפורמציה קוונטית.

בפקולטה לפיזיקה בטכניון התפרסמו בעבר מחקרים מובילים בתחום חשוב זה, ראשית על ידי פרופ’ מחקר אשר פרס ז”ל, פיזיקאי בעל שם עולמי בעל תרומות עצומות בעיבוד אינפורמציה ובטלפורטציה קוונטית. לאחר מכן המשיכו בכך פרופ’ דוד גרשוני, פרופ’ נתנאל לינדנר ופרופ’ יוסי אברון.

ההתקנים שפיתח פרופ’ גרשוני מבוססים על נקודה קוונטית (Quantum Dot) במוליך למחצה. בשל ממדיהן הננומטריים של הנקודות הקוונטיות הן מסוגלות לכלוא אלקטרונים ברמות בדידות, בדומה לרמות האלקטרוניות של האטום, ולכן הן קרויות גם “אטומים מלאכותיים”. כאשר פולס של אור פוגע בנקודה הקוונטית הוא גורם למעבר של אלקטרון מרמת היסוד לרמה מעוררת, וכאשר האלקטרון ש

ד”ר זו-אן סו

ב לרמת היסוד נפלט פוטון אחד באנרגיה המתאימה להפרש האנרגיה בין הרמה האלקטרונית המעוררת לרמת היסוד האלקטרונית. אנרגיה זאת מגדירה בדיוק רב את אורך הגל (או צבעו) של הפוטון.

בשנת 1999 הדגימה קבוצת המחקר של פרופ’ גרשוני לראשונה כי נקודה קוונטית יכולה להיות מקור אור של פוטונים בודדים הנפלטים על פי דרישה. ב-2005 הדגימה הקבוצה יצירה של זוגות של פוטונים שזורים, ובשנת  2016 הוכיחה הקבוצה כי נקודות קוונטיות יכולות להוות התקנים הפולטים אשכולות של פוטונים שזורים באופן דטרמיניסטי.

על מחקריו פורצי הדרך זכה פרופ’ גרשוני בשנת 2012  בפרס ההתקן הקוונטי של האגודה היפנית ISCS, בשנת 2014 בפרס לנדאו למדעים ואמנויות בתחום הפיסיקה ובשנת 2021 בפרס למחקר מהקרן הגרמנית ע”ש אלכסנדר פון הומבולדט.

בעבודה הנוכחית מעוררים החוקרים נקודה קוונטית בודדת באופן מחזורי כ-500 מיליון פעמים בשנייה, באמצעות פולסי לייזר קצרים. בתגובה לכל פולס פולטת הנקודה פוטון בודד. תזמון הפולסים, עוצמתם, גודלם וכיוונו של השדה המגנטי החיצוני הפועל על הנקודה הקוונטית מתוכננים כך שהפוטון הנפלט שזור עם הפוטון שנפלט לפניו ועם זה שייפלט אחריו וכך נוצרת שרשרת ארוכה מאד של פוטונים שזורים במצב אשכול. החוקרים הראו שכל עשרה פוטונים עוקבים בשרשרת שזורים ביניהם. יתר על כן, הם הצליחו לראשונה לתכנן את ההתקן כך שהפוטונים הנפלטים ממנו יהיו כמעט זהים לחלוטין זה לזה (indistinguishable photons). תכונה זאת חשובה ביותר, שכן  היא מאפשרת (בעזרת התאבכות) אינטראקציה בין שני פוטונים מאותו מצב אשכול או בין שניים ממצבי אשכול שונים. בכך ניתן ליצור מצבי אשכול גדולים יותר ובעלי קישוריות גדולה יותר, תכונות חשובות ביותר לצורך שימוש במצבי האשכול בעיבוד אינפורמציה קוונטית.

ד”ר עודד קנת

פרופ’ גרשוני מסביר כי להישג המדעי של בניית “מכונת תפירה השוזרת פוטונים” תיתכנה השלכות יישומיות מרחיקות לכת. לדבריו, “שזירות היא תנאי חיוני בפעולה של מחשבים קוונטיים, תקשורת קוונטית וטלפורטציה, ואנחנו לא מציגים כאן קונספט בלבד אלא התקן פיזי פועל שיכול להשתלב במערכות כאלה. מאחר שהטכנולוגיות הקיימות כיום במחשוב, בתקשורת, באחסון מידע וכן הלאה מבוססות ממילא על מוליכים-למחצה, ההישג שלנו המבוסס על מוליך למחצה מתכתב היטב עם עולם ההייטק העכשווי. להערכתי יש כאן תרומה משמעותית לקראת יישומים של טכנולוגיה קוונטית בשימוש נרחב בעתיד הלא רחוק”

המחקר נערך בתמיכת הנציבות האירופית למחקר (ERC) והקרן הלאומית למדע (ISF).

לקריאת המאמר – לחצו כאן