הבא בתור הוא ספין

 

בשנת 1897 התקיימה באוניברסיטת קיימברידג' שבאנגליה מסיבה שבה הורמו כוסות יין לכבוד חלקיק חדש שזה עתה התגלה, ושלפי הודאת המדענים המגלים, הוא "לא יצלח למאום". בעל התגלית היה סר ג'וזף ג'והן תומסון. החלקיק שלכבוד חוסר שימושיותו התקיימה המסיבההוא לא אחר מאשר האלקטרון, אותו חלקיק שמניע את הכלכלה העולמית בעשורים האחרונים, ושקשה לתאר את חיינו בלעדיו.

 

אלקטרונים, כך התברר במשך הזמן, הם החלקיקים הנושאים את המטען החשמלי ויוצרים בתנועתם את הזרם החשמלי, נהר החיים של העולם המתועש. עוד התברר במשך הזמן, שמלבד המטען החשמלי שהם נושאים, האלקטרונים מתאפיינים בתכונות נוספות. ראשית, כמו חלקיקים אחרים, האלקטרון הוא לא רק חלקיק, הוא גם גל. הקיום הכפול הזה הוא אחת מהתופעות שלמדנו להכיר במסגרתה של תורת הקוואנטים, שהיא אחת התורות המדעיות המוכחות ביותר. שנית, האלקטרונים מתאפיינים גם במעין תקיפת סיחרור - "ספין". למעשה, ייתכנו שני כיוונים מנוגדים של תקיפות סיחרור. כך, למעשה, שני אלקטרונים הנושאים אותו מטען חשמלי יכולים להיבדל זה מזה בכיוון הספין שלהם. משמעות העובדה הזאת עומדת במרכזו של תחום מחקר חדש, הקרוי "ספינטרוניקס", העשוי לפתוח את השער לפיתוח טכנולוגיה שונה לחלוטין מזו שהכרנו עד היום.

 

פרופ' יובל גפן, מהמחלקה לפיסיקה של חומר מעובה במכון ויצמן למדע, משתף פעולה בתחום מחקר חדש זה עם ד"ר עמיר יעקובי, גם הוא מאותה מחלקה. פרופ' גפן: "בטכנולוגייה אלקטרונית, אם מאה אלקטרונים זרמו מימין לשמאל, ומאה אלקטרונים אחרים זרמו משמאל לימין, שום דבר לא קורה ברמת המאזן החשמלי. קודם היו לנו מאה אלקטרונים משמאל ומאה מימין, וגם עכשיו, זה בדיוק המצב. אבל בטכנולוגייה 'ספינטרונית' בהחלט ייתכן שיחול שינוי, כך שבצד ימין של המערכת יקטן מספרם של האלקטרונים בעלי ספין בכיוון אחד, בעוד שמספרם בצד שמאל של המערכת יגדל באותו שיעור". השינויים במאזן כיווני הספינים עשויים למלא בטכנולוגיה "ספינטרונית" את המקום שממלאים שינויים במטען החשמלי, בטכנולוגיה חשמלית ואלקטרונית. פרופ' גפן אומר שטכנולוגיה ספינטרונית תתבסס על תנועת אלקטרונים, תוך שהיא מתעלמת ממטענם החשמלי ומתייחסת רק לכיוון הספין שלהם. טכנולוגיה כזאת עשויה להתאים, בין היתר, לפיתוח מערכות של חישוב קוואנטי: אלקטרון שיכול להיות בעל אחד משני כיווני ספין, ויכול להחליף כיוונים, עשוי להוות את המתג הזעיר המוחלט, ומתגים דו-מצביים הם, כידוע, לב לבו של כל מחשב.

 

למעשה, חישוב קוואנטי אמור להתבסס על תופעה קוואנטית הקרויה סופרפוזיציה, שהוצעה לראשונה על-ידי ארווין שרדינגר, נהג להמחישה בניסוי מחשבה שזכה לכינוי "החתול של שרדינגר". בניסוי זה מכניסים חתול לקופסה סגורה, יחד עם בקבוק של חומר רעיל שהפקק שלו קשור ל"הדק" העשוי חומר רדיואקטיווי. דעיכת החומר הרדיואקטיווי, המלווה בקרינה, תפעיל בעיתוי כלשהו את ההדק, שיפתח את הבקבוק וישחרר את חומר הרעל שימית את החתול. עכשיו, הצופה שמתבונן בקופסה הסגורה שבתוכה מצוי החתול יחד עם בקבוק הרעל אינו יכול לדעת אם ההדק הרדיואקטיווי כבר פעל, ולכן הוא אינו יכול לדעת בוודאות האם החתול חי או מת. מהו, אם כן, מצבו האמיתי של החתול? לפי תורת הקוואנטים, לפני שהצופה מודד אם החתול חי או מת, החתול מתקיים במצב של סופרפוזיציה: הוא חי ומת ("חי-מת") בעת ובעונה אחת.

 

אחד הרעיונות לבניית מחשב קוואנטי מבוסס על האפשרות להשתמש באלקטרונים כבמעין "חתולי שרדינגר": הם אמורים להימצא במצב של סופרפוזיציה, כך שאנחנו איננו יודעים את כיוון הספין שלהם. אבל, על-אף אי הידיעה הזאת, מערכת החישוב הקוואנטית אמורה לאפשר לנו לבצע פעולות שונות, שישנו ויהפכו את כיווני הספין של האלקטרונים. כלומר, גם כאשר איננו יודעים מהו כיוון הספין, נוכל לבצע פעולה שתהפוך אותו. אותה פעולת היפוך תתבטא גם כאשר בסופו של דבר, לאחר סדרת פעולות, יימדד "חתול מת" או "חתול חי". עיבוד המידע, או פעולות החישוב במערכת כזאת, יתאימו לסדרת פעולות שיגרמו לשינויים בכיווני הספין של האלקטרונים. השינויים היזומים על-ידי המפעילים האנושיים יובילו ל"תגובת שרשרת" של היפוכים בכיווני הספין של אלקטרונים רבים במערכת (למשל: האלקטרונים "מעדיפים" להימצא בסמוך לאלקטרונים בעלי ספין הפוך משלהם, כך ששינוי ספין של אלקטרון אחד עשוי להוביל לשינוי בכיווני הספין של האלקטרונים הסמוכים לו, וכך הלאה). מכאן, שפעולת חישוב בודדת תשפיע השפעה רבה הן על מספר הספינים (ביטים) שיושפעו ממנה, והןעל מספר ההסתעפויות החישוביות הנובעות ממנה. מדידת מצבה החדש של המערכת מהווה, אפוא, את פלט המחשב הקוואנטי, כלומר, את התשובה לשאלה או את תוצאת החישוב.

 

העניין הוא שכל מדידה של המערכת היא בבחינת פתיחת הקופסה והתבוננות ב"חתול של שרדינגר", פעולה שכמובן תוציא מיד את החתול מהסופרפוזיציה ותאפשר לנו לדעת בוודאות האם הוא חי או מת. במילים אחרות, לא כל כך קל לבנות מערכת שבתוכה יתרוצצו ויפעלו מיליוני ומיליארדי "חתולי שרדינגר" אלקטרוניים, בעוד אנחנו משנים את מצביהם לפי דרישותינו ומקבלים מידע על השפעת הפעולות שלנו על המערכת. כדי לקדם את האפשרויות לבנייתה של מערכת כזאת, מתמקד פרופ' גפן בניסיונות לגלות מהם "גבולות המדידה הקוואנטית", כלומר, מה בדיוק גורם לאלקטרון המצוי בסופרפוזיציה לצאת מהמצב הזה, ומה אפשר לעשות מבלי שהוא "יחוש" במדידה ויישאר בסופרפוזיציה.

 

מערכת של חישוב קוואנטי, שתעמוד לרשותנו אם מאמציהם של פיסיקאים מכל העולם ופרופ' יובל גפן מהמכון ביניהם יוכתרו בהצלחה, תוכל לבצע מטלות שמחשבים רגילים מתקשים מאוד לבצע. לדוגמה, פירוק מספר שהוא מכפלה של שני מספרים ראשוניים, למרכיביו. ליכולת כזאת יש משמעות רבה, בין היתר, בתחום הפיענוח וההצפנה.