על פרס נובל בפיזיקה לשנת 2012
15/11/2012

 

סרג' הרוש, פרופסור ב –  College de Franceוב - Ecole Normale Supérieure, Paris, ודיויד וינלנד, פרופסור ב - National Institute of Standards and Technologyובאוניברסיטת קולורדו, זכו השנה בפרס נובל בפיזיקה על "שיטות ניסוי פורצות דרך שמאפשרות מדידה ותמרון של מערכות קוונטיות בודדות." 

כל אחד משני החוקרים פיתח, באופן עצמאי, שיטות למדידת מצבם של חלקיקים קוונטיים ללא הריסת מצבם. פיתוח שיטות אלו מהווה שלב חשוב בהתקדמות בפיתוח של מחשבים קונטיים בעתיד. כמו כן הובילו שיטות אלו לפיתוחם של השעונים המדויקים ביותר הידועים כיום, אשר דיוקם גדול פי מאה מדיוקם של השעונים האטומיים.

כידוע, חוקי הפיזיקה הקלאסית אינם ישימים עבור חלקיקים בודדים של אור או של חומר. חלקיקים אלו מתנהגים התנהגות הנגזרת מחוקי הפיזיקה הקוונטית. בד"כ חלקיקים אלו נמצאים בתוך מערכות גדולות בהרבה, ולכן קשה להבחין בהתנהגותם הקוונטית . משום כך פעמים רבות פיזיקאים עורכים "ניסויים מחשבתיים" על מנת לנבא ולהסביר התנהגויות של חלקיקים בודדים.

דיויד וינלנד לוכד יונים (אטומים טעונים חשמלית), ובוחן אותם בעזרת אור. הרוש נוקט בשיטה ההפוכה: הוא בוחן חלקיקי אור הקרויים פוטונים על ידי לכידת אטומים.

אם כן, במעבדתו של וינלנד לוכדים יונים בעזרת שדות חשמליים המונעים מהם מ"לברוח". היונים מוחזקים בוואקום ובטמפרטורה נמוכה מאד על מנת למנוע מהם להיות מושפעים מקרינה ומחום. יונים נמצאים בד"כ במצב היסוד שלהם – רמת האנרגיה הנמוכה ביותר. לייזר יכול לעורר את היון, כלומר להעלות את רמת האנרגיה שלו. כל עוד לא מדדנו את רמת האנרגיה, הלייזר מחזיק את היונים הללו בסופרפוזיציה: כלומר, היון יכול להיות מוחזק בין שתי רמות אנרגיה, כך שיש לו סיכוי שווה להגיע לכל אחת מהן. הסופרפוזיציה הוא מצב שבו חלקיק יכול להתקיים במספר מצבים בו זמנית, למשל – להיות בעל מספר רמות אנרגיה בו זמנית. מצבי הסופרפוזיציה הללו נחקרים על ידי החוקרים.

הרוש נוקט, כאמור, בשיטה ההפוכה: במעבדתו הוא מחזיק פוטונים באורך גל של גלי מיקרו בחלל באורך 3 ס"מ. החלל תחום על ידי מראות, ופוטונים נעים בו הלוך ושוב. כדי שהפוטונים יחזרו מהמראות מספר פעמים לפני שיבלעו, על המראות להיות מחזירות ביותר. המראות עשויות מחומר על מוליך ומקוררות לטמפרטורה של כמעט האפס המוחלט. כך קורה שפוטון יכול להיבלע רק כעבור כעשירית השנייה. בזמן זה הוא עובר מרחק של ארבעים אלף קילומטר! בזמן שהפוטון מתקיים בחלל שבין המראות, בודקים אותו הרוש וצוותו בעזרת אטומים הקרויים אטומי ריידברג. אלו הם אטומים ענקיים, הגדולים פי 1000 מאטום טיפוסי (אלקטרונים שלו נמצאים ברמת אנרגיה גבוהה מאד) החוקרים משגרים את האטומים הללו, אחד בכל פעם, במהירויות שהם קובעים. האטומים הללו יוצאים בהמשך מהחלל ונבדקים: אם הפרש המופע בין רמות האנרגיה שלהם משתנה, סימן שהם עברו אינטראקציה עם פוטונים בתוך החלל. אם הפרש המופע אינו משתנה – סימן שלא היו פוטונים בחלל. (הפרש מופע מקביל להפרש בין נקודות שונות בגל).  האטומים יוצרים אינטראקציה עם השדה האלקטרומגנטי של הפוטון, ולכן משתנה הפרש המופע שלהם. אך הפוטונים עצמם אינם נבלעים באטום. כך הצליח הצוות לספור פוטונים בתוך החלל, ללא הריסת מצבם.

הרוש ווינלנד הצליחו לעשות משהו שנראה כבלתי אפשרי עד כה: לפי התיאוריה הקוונטית, כאשר חלקיק קוונטי איננו נמדד, הוא נמצא בסופרפוזיציה של מצבים. למשל, הוא יכול להיות בכל מקום בעולם. כאשר הוא בא במגע עם העולם החיצון (כלומר נמדד ניסויית), הוא קורס לאחד מהמצבים, ולמעשה קיים רק במצב אחד. בחיי היומיום אי אפשר למצוא התנהגות כזו: גופים לא מתקיימים בסופרפוזיציה של מצבים, משום שהם גופים מקרוסקופיים - גדולים בהרבה מחלקיקים קוונטיים. הרוש ווינלנד הצליחו ללכוד חלקיקים ולחקור את מצבי הסופרפוזיציה שלהם.

כאמור לעיל, אחד השימושים האפשריים של פריצות דרך אלו הוא המחשב הקוונטי. במחשבים שאותם אנו מכירים יחידות המידע הקטנות ביותר הן ביטים, שכל אחד מהם יכול לקבל את הערך 0 או 1. המחשב הקוונטי יתבסס על יחידות מידע קוונטיות, שכל אחד מהן תוכל להיות בסופרפוזיציה של 0 ו – 1 בו זמנית.  כך, שתי יחידות מידע קוונטיות יכולות לקבל בו זמנית ארבעה ערכים: 00, 01, 10 או 11. זאת לעומת שתי יחידות מידע רגילות שיכולות לקבל בו זמנית ערך אחד בלבד.  n יחידות מידע קוונטיות יוכלו לקבל 2n ערכים. וינלנד וציוותו הצליחו להדגים, לראשונה בעולם, פעולות עם שתי יחידות מידע קוונטיות. לכן באופן עקרוני אין שום מניעה לעבוד עם מספר גדול בהרבה של יחידות קוונטיות. הבעיה היא מעשית: איך לגרום ליחידות הקוונטיות להיות מנותקות מהעולם החיצון, כדי שיוכלו להתקיים בסופרפוזיציה, ובו בזמן לאפשר להן קשר עם העולם החיצון, על מנת שיכולו להעביר הלאה את חישוביהן.  

צוותו של וינלנד הצליח גם ליצור שעונים מדויקים פי מאה מהשעונים האטומיים הקיימים כיום. הדיוק של שעוני אלו מתבטא בפיגור או הקדמה של שנייה אחת כל מיליארד שנים!

כיום קיימים שעוני צזיום המבוססים על פליטות פוטונים במעברי אנרגיה בתחום המיקרו. השעונים האופטיים מבוססים על אור נראה (ולכן קרויים כך). בשעונים אלו משתמשים בקרן לייזר הפוגעת ביונים. גם השעונים האופטיים מבוססים על מעברים בין רמות אנרגיה, אך מצב קוונטי משותף לשני סוגי יונים שיצרו וינלנד וציוותו, מאפשר מדידת זמן בעזרת שעונים אופטיים מדויקת יותר מאשר בשעוני הצזיום.