להשתמש בקוואנטים, גם אם הם סותרים את ההיגיון הבריא

הפיזיקה הקוואנטית, העוסקת בחלקיקים הקטנים ממולקולה אחת, נוגדת את כל מה שאנחנו חושבים על העולם שסביבנו: שום דבר לא מתנהג כפי שהוא אמור להתנהג, ומושגים כמו זמן, מרחב וסיבתיות כבר אינם מושגים מוחלטים כל כך.

אחת התופעות המוזרות והלא-מפוענחות נקראת "שזירה קוונאטית": חלקיק שנמצא במקום מסוים משפיע על חלקיק שנמצא במרחק רב ממנו, בלי שהייתה לשניים אפשרות פיזית להעביר מידע. אבל ההשפעה הזאת מתרחשת רק בתנאי ששני החלקיקים נפגשו בעבר. המדע טרם הסביר באופן מלא את תופעת השזירה ואינטואיטיבית קשה להבין אותה, אבל זו לא סיבה טובה מספיק שלא להשתמש בה.

רק לאחרונה נחנך באוניברסיטת בר אילן מכון QUEST - Quantum Entanglement Science and Technology, המשלב מחקר תיאורטי ויישומי של תופעת השזירה, וכבר יש לו שיתופי פעולה עם התעשייה הביטחונית ועם תעשיית ההיי-טק בנושאים של הצפנה קוואנטית, מדידה קוואנטית ומחשוב קוואנטי. על רקע ההתפתחויות הטכנולוגיות המבוססות על הבנה של הגדלים הקוואנטיים, החלו באוניברסיטה גם להכשיר לראשונה בארץ "מהנדסי קוואנטים", שילמדו תואר ראשון משולב בהנדסת חשמל ופיזיקה ויקבלו הכשרה ייחודית דרך המכון.

שבעה חוקרים מובילים הקימו את מכון QUEST - הפרופסורים ריצ'רד ברקוביץ, לב חייקוביץ', אבי פאר ומיכאל רוזנבלו, והדוקטורים ברוך ברזל, עמנואל דלה טורה ומיכאל שטרן. באופן יוצא דופן, הם כולם מנהלים את המכון במקביל, ללא מנהל אחד שעומד בראש. נפגשנו עם שלושה מהם כדי לנסות להבין משהו על שזירה קוואנטית ומה עושים איתה.

אתגר להנחות היסוד של הפיזיקה הקלאסית

לדברי פרופ' מיכאל רוזנבלו, בפיזיקה הקלאסית יש כמה יסודות שמקובלים היום על כולם: מידע אינו יכול לנוע מהר יותר מאור, אי-אפשר לשנות את העבר על ידי פעולה בעתיד, וחוק השימור. למשל, אם נחלק חלקיק עם מטען ניטרלי נקבל שני חלקיקים שסכום המטענים שלהם חייב להיות שווה לאפס. גם מומנט הסיבוב נשמר, כלומר בחלוקה של חלקיק, אם מחציתו מסתובבת לכיוון אחד, מחציתו השנייה תסתובב לצד הנגדי, באותה עוצמה. אלא שבעולם הקוואנטי, ברמת האטום הבודד ומטה, משהו בהסכמות הללו מתחיל להישבר. דווקא העיקרון השלישי הפחות אינטואיטיבי, של שימור המאסה, המטען והסיבוב, ממשיך להתקיים כאילו על חשבון שתי ההסכמות הראשונות.

נניח שפיצלנו פוטון, חלקיק של אור. שני החצאים הם משלימים מבחינת קיטוב, מטען, אנרגיה ותכונות נוספות. כלומר, אם הכרנו את החלקיק המקורי שממנו התפצלו ואז מדדנו חלקיק אחד, נדע מיד מה מצבו של החלקיק השני. הדבר המוזר הוא שברגע שאנחנו משנים את אחד החלקיקים שהתפצלו, גם החצי השני של אותו חלקיק משתנה באותו אופן. זה קורה רק אם שניהם קוואנטים, כלומר זעירים מאטום.

"המושג הזה 'שזירה קוואנטית' לא פשוט ולא כל כך הגיוני, ואפילו אלברט איינשטיין לא היה מוכן לקבל אותו ועד הסוף המשיך לומר שאינו מבין אותו, אף שבסוף חייו השתכנע שזה נכון. היום, אחרי הרבה שנים של עבודה, יש לנו הוכחות ניצחות לכך שהשזירה הקוואנטית קיימת", אומר רוזנבלו.

"ההוכחות קיימות למרות שהתופעה הזו מאתגרת את הנחות היסוד שלנו. ואין משהו שאנחנו לא יודעים לגבי התנהגות החלקיקים, שיכול להסביר את זה. אנחנו יודעים בדיוק איך החלקיקים מתנהגים, אנחנו פשוט לא מבינים איך זה יכול להיות", מוסיף ד"ר עמנואל דלה טורה.

רוזנבלו: "הסתירה היא כנראה לא בפיזיקה אלא באופן שבו אנחנו מבינים את העולם".

- אז אם אני מזיזה כוס, זה ישפיע על כוס אחרת בעולם כי בשתיהן יש קוואנטים?

רוזנבלו: "זה לא יקרה. בעולם הנגלה לעין, בגדלים שאנחנו חווים בחושים שלנו, לא נראה תופעות כאלה. אבל בעולם הקטן מאוד, זה בדיוק מה שקורה".

- מאיזה גודל בדיוק זה קורה ומאיזה גודל זה מפסיק לקרות, ומדוע?

פרופ' אבי פאר: "זה אחד הדברים שאנחנו מנסים לגלות".

רוזנבלו: "אחת משאלות המחקר של המכון היא אם אפשר לגרום לחלקיקים קצת יותר גדולים להציג תופעות קוואנטיות ואם זה שימושי בכלל. פרופ' לב חייקוביץ', שותפנו למכון, הצליח להראות תופעות קוואנטיות בצבר של אלף חלקיקי אטום בתנאי שהם קרים, כלומר מיליונית המעלה מעל האפס המוחלט. לאיזה גודל אפשר להגיע? אנחנו עוד לא יודעים".

הסינים כבר גילו את ההצפנה הקוואנטית

אלא שהמדענים לא מחכים עד שיגלו מדוע קוואנטים מתנהגים כפי שהם מתנהגים וכבר מנסים למצוא שימושים לתופעה. מעבר להיותם הוכחות חוזרות ונשנות לכך שהפיזיקאים המודרנים לא נפלו על הראש, השימושים הללו פותחים דלתות טכנולוגיות חדשות ליישומים שקודם לכן היו בלתי אפשריים. אחד מהם נקרא "תקשורת קוואנטית" או "הצפנה קוואנטית".

"נניח שאנחנו רוצים להעביר מידע מוצפן", מסביר פאר, "קודם כול עלינו להעביר את מפתח ההצפנה. אם הצלחנו להעביר אותו ואנחנו יודעים בוודאות שאף אחד לא האזין לנו - מצוין. כעת אנחנו חופשיים להעביר כל מידע שנרצה. אבל איך נדע אם מישהו האזין לנו?". כאן, הוא אומר, נכנסים עקרונות השזירה הקוואנטית. נניח שאנחנו מפצלים זרם חלקיקים שיש עליו מידע ושולחים חצי ממנו לאדם אחר, שלצורך הדוגמה נקרא לו יוסי (החצי השני נשאר אצלנו). יוסי מחליט בינו לבין עצמו כיצד ימדוד את זרם החלקיקים ששיגרנו אליו, אבל האופן שבו הוא מודד אותם משפיע בדיעבד על החלקיקים שנמצאים אצלנו - הרי כל חלקיק שהגיע אל יוסי משפיע על חלקיק שנשאר מאחור. אחרי שהוא מסיים למדוד את כל החלקיקים, יוסי מתקשר אלינו ומספר לנו בדיוק כיצד מדד ומה התוצאה שקיבל. אנחנו בודקים את החלקיקים שלנו ואמורים לקבל את התוצאה המשלימה, אלא אם כן מישהו הקשיב לנו. אותו אדם שלישי לא יכול היה לדעת מראש כיצד יחליט יוסי למדוד את החלקיקים ולכן מה שאנחנו רואים בחלקיקים שלנו היא השפעה של שתי מדידות. כך אנחנו יודעים שמאזינים לנו.

"היום הצפנה מבוססת על כך שקשה לפענח אותה", אומר רוזנבלו. "אתה מצפה ומקווה שהצופן מורכב לפענוח. הצופן הקוואנטי לא חייב להיות מאוד מורכב לפענוח, אבל אם הצלחת להעביר אותו ללא האזנה, אתה תדע זאת בוודאות. אם אתה יודע שמאזינים לך, אתה זורק את המידע הזה ואת כל ערוץ התקשורת הזה".

- משתמשים בזה כיום?

פאר: "כן. זה נקרא Quantum Key Distribution והשימוש כבר מתחיל להיות מסחרי".

דלה טורה: "הסינים דיווחו לאחרונה שהעבירו לראשונה מידע בהצפנה קוואנטית דרך לוויין".

פאר: "זו יכולת שברור שכל הגורמים החזקים רוצים: ממשלות ובנקים ותאגידים. היכן הבעיה? בקצב. כיוון שעובר בכל פעם חלקיק אחד וכיוון שזורקים חלק גדול מהדאטה, הקצבים הם נמוכים. כיום התקשורת הקוואנטית מגיעה לקצב של מגהביט לשנייה, הנחשב נמוך, והקצב יורד ככל שהמרחק עולה. אז השאלה היא איך מעבירים מידע קוואנטי בקצב נורמלי, ובזה יש לנו טריק".

רוזנבלו: "במרכז בבר אילן בעצם מפתחים את הפס הרחב של התקשורת הקוואנטית. אנחנו מצליחים להריץ בבת אחת בין שני משדרים ספקטרום רחב של צבעים, וכך במקום פוטון אחד, רצים 10,000 פוטונים, כל אחד בצבע אחר".

פאר: "השאלה הגדולה היא איך קוראים בבת אחת 10,000 נתונים, בלי שנצטרך 10,000 מערכות מדידה. התשובה קשורה גם היא לאפקט השזירה: במקום לפצל בכל פעם שני חלקיקים, מפצלים המון חלקיקים. כאשר הם יגיעו ליעד, ובתנאי שלא האזינו להם, כולם אמורים להתכנס לתוצאה אחת ידועה מראש ומושלמת. אם זה קורה, סימן שאף אחד לא האזין".

השיטה הקוואנטית לגילוי מנהרות טרור

תופעת השזירה הקוואנטית מאפשרת לבצע מדידות מדויקות מאוד, ויש לכך חשיבות בתחומים רבים נוספים. לדוגמה, בתמונות הדמיה כמו אולטרסאונד או MRI, או במדידת סונאר שנועדה לגלות אם יש באדמה נפט או להבדיל מנהרות טרור. היום אפשר לנחש זאת, אך אי- אפשר לדעת בוודאות, עד שקודחים באדמה חור.

כיצד עוזרים כאן הקוואנטים? פאר מסביר: "באופן עקרוני, אם אני רוצה למדוד בליעת אור קטנה בחומר מסוים, במטרה לזהותו, עליי להשתמש בשתי אלומות זהות בדיוק, ורק אחת מהן לשלוח דרך החומר. הבעיה היא שלא ניתן באמצעים סטנדרטיים ליצור שתי אלומות זהות לגמרי בגלל עקרון האי-ודאות הקוואנטית. לדוגמה, כאשר מנסים לפצל 100 פוטונים, הפיצול לא יהיה 50:50 בדיוק. אבל ניתן לנצל את השזירה הקוואנטית כדי להתגבר על הבעיה: אם יצרנו את האלומות כך שיש שזירה קוואנטית ביניהן, הרי שברגע שמדדנו אותן, מספר הפוטונים בשתיהן יהיה זהה, גם אם בכל אחת מהן בנפרד המספר איננו ידוע ואיננו קבוע. מרגע המדידה, כל פער בין האלומות ינבע מהשפעת החומר שדרכו העברתי את האלומה".

דלה טורה: "לפי עקרון האי-ודאות, אם אתה יודע את המיקום אתה לא תוכל אף פעם לדעת את המהירות, אבל אם אתה יודע את המהירות לא תוכל לדעת את המיקום. במדידה הקוואנטית אנחנו מטילים את כל ה'רעש' על מה שלא חשוב לנו. אם חשוב לנו לדעת מיקום, נמדוד כך שהאי-ודאות תהיה בצד של המהירות. באופן דומה, יש אי-ודאות ביחס שבין הצבע של פוטון לזמן הגעתו. בניסויים בבר-אילן, מגיעים למדידות מאוד מדויקות של רגע הגעת הפוטון למקום מסוים על ידי הגדלת האי-ודאות בתדר (צבע) שלהם".

פאר: "האי-ודאות הקוואנטית תמיד הייתה משהו שמפריע, שמוסיף רעש, ובזכות עקרון השזירה הקוואנטית התגברנו על זה. יש לנו כבר שיתוף פעולה עם חברות ביטחוניות".

יישום נוסף של המכון הוא המחשב הקוואנטי. "מחשב רגיל מורכב מטרנזיסטורים, יחידות חשמליות שיש להן שני מצבים - כבוי או דלוק", אומר רוזנבלו, "חלקיקים קוואנטיים יכולים להכיל מידע על יותר משני מצבים. עכשיו, נניח שפיצלנו חלקיק בגודל קוואנטי ל-1,000 תתי-חלקיקים ונתנו לכל אחד מהם משימה חישובית. כשהוא מגיע לתוצאה, הוא הרי משפיע על כל האחרים בגלל עקרון השזירה הקוואנטית. אם אני מודד את התוצאה של כל החלקיקים בבת אחת, אני יכול לדעת איך השתנה המצב של כל אחד במהירות, כי כל אחד מהם קבע את התוצאה הסופית. הפענוח של זה דורש כמובן אלגוריתמיקה מורכבת שעובדים עליה גם בגוגל, יבמ ופייסבוק. כולם רוצים ליצור אלגוריתמים של מחשב קוואנטי".

פאר: "מחשבים קוואנטיים נחשבים מעניינים מאוד מאז שהצליחו לפתור משימה שלמחשבים קלאסיים נדרש זמן רב לפתור אותה: לפרק מספר גדול לגורמיו הראשונים. זו בעיה כה קשה, עד שביססו עליה קודים רבים של הצפנה. המחשב הקוואנטי יכול לעשות זאת מהר יותר, כי הוא יכול לבדוק כמה אפשרויות בבת אחת. הבעיה היא שלא הצליחו לייצר זאת ברמה הפרקטית. המחשב הקוואנטי הכי מורכב היום הוא בעל זיכרון של 16 ביט".

לדברי אנשי המכון, כיום יש למעשה רק מחשב קוואנטי אחד בעולם, שנבנה על ידי חברת יבמ בארה"ב ונמצא במרתפי החברה. ביום רביעי הקרוב, יגיע לארץ נציג החברה ויספר כיצד ניתן להתחבר למחשב הזה מרחוק ולהשתמש בו גם מהארץ, אבל שימו לב: המחשב הקוואנטי הראשון יודע לספור רק עד 256! מה שהופך אותו ללא שימושי. אבל אם כוחו יוכפל פי עשרה, נוכל לעשות בו חישובים שלא ניתן לעשות במחשב רגיל. ואם כוחו יוכפל פי 100, יש סיכוי שמישהו יוכל לפרוץ למייל ולקרוא את הכתבה הזאת עוד לפני שתפורסם. כאמור, שטרן שוקד על בניית מחשב קוואנטי קטן במעבדה שלו.

- מהם האתגרים בבניית מחשב קוואנטי?

רוזנבלו: "האחד הוא לא לאבד את השזירה, כי עם הזמן החלקים מאבדים את הקשר זה עם זה. השני הוא לשמור על יציבות לאורך זמן, כי בכל זאת אנחנו רוצים שזה יהיה מחשב עם זיכרון, ולא רק בעל יכולת חישוב חולפת. אחד החוקרים במכון שלנו, מיכאל שטרן, מנסה לחבר בין שני רכיבים, אחד הוא זיכרון סטטי והשני הוא מחשב קוואנטי".

דלה טורה: "הוא צריך בעצם לשזור שתי מערכות קוואנטיות שונות - מעגל מוליך על ואטום בודד. זו רמה אחת מעל שזירה של שני חלקיקים זהים".

- ביצה שנשברה יכולה להתחבר חזרה?

אתם סבורים שיום אחד נצליח ליצור מצב שבו חפצים במקומות שונים ישפיעו זה על זה בזמן אמת, גם בעולם המיקרוסקופי? וחשוב מכך, האם נוכל להפוך את כיוון הזמן?

רוזנבלו: "אף אחד לא ממש יודע מדוע בעולם המוכר לנו הזמן הולך רק בכיוון אחד. יש שאומרים שהעולם נברא עם אנתרופיה (אי-סדר) מינימלית וככל שהאנתרופיה גדלה, זה משהו שאי-אפשר להחזיר לאחור. למשל, אפשר לשבור ביצה שלמה אבל ביצה שבורה לעולם לא חוזרת למצבה הקודם בעצמה, וזה מה שנותן את הכיווניות לזמן, לסיבה ולתוצאה. אבל אני לא חושב שזה ההסבר האמיתי. כך או כך, בעולם הקוואנטי התופעה הזאת לא מתקיימת כל כך בבירור. דברים ש'נשברים' יכולים 'להתחבר' כאילו לא נשברו, יש תופעות סימטריות ואין בהכרח צבירה של אי-סדר. אפשר לומר שבעולם הננוסקופי (הקטן מאוד) אין כיווניות לזמן".

- ואפשר להעביר את התופעות הללו גם לרמת הפיזיקה הקלאסית? אבל מהר, אנחנו מזדקנים פה.

פאר: "יש כנראה סיבות יסוד לכך שאי-אפשר להעלות את חוסר כיווניות הזמן לעולם הפיזיקה הקלאסית. כדי שהסימטריה הקוואנטית תישמר אתה צריך להיות מסוגל לעקוב אחרי כל חלקי התוצאה וששום דבר שאתה לא יודע לא יקרה לאף אחד מהם. מערכת קוואנטית מבודדת באמת היא סימטרית מבחינת הזמן, אבל ברגע שיש מגע עם העולם החיצון, וזה תמיד יקרה מתישהו, נכנס אלמנט של אי-ודאות וכבר אי-אפשר להפוך את התהליך, להחזיר לשלמותה את הביצה שנשברה".

דלה טורה: "ומערכות מבודדות כל כך הן לא מאוד יעילות".

רוזנבלו: "אבל זה לא אומר שלא עובדים על זה".