מצבים קוונטיים

 

מחשבים קוונטיים מככבים ברשימת השאיפות של מדענים רבים במקומות שונים בעולם. אבל האמת היא שאיש עדיין אינו יודע האם אפשר לבנות, הלכה למעשה, מחשב קוונטי. דבר אחד ברור: מחשב קוונטי אמור לאחסן ולעבד מידע קוונטי, המקודד בביטים קוונטיים. ביט רגיל הוא מעין "ישות" שיכולה להימצא באחד משני מצבים שניתן לתארם בספרות אפס (0) ואחד (1). לעומת זאת, ביט קוונטי יכול להימצא בהרבה יותר משני מצבים, בעת ובעונה אחת. קיימים כמה "מועמדים" העשויים למלא את תפקיד הביט הקוונטי. אחד מהמועמדים האלה הוא האלקטרון, שעליו מבוססת האלקטרוניקה המודרנית. האלקטרוניקה מבוססת על תכונתו של האלקטרון כנושא מטען חשמלי, אבל בנוסף למטען החשמלי שהם נושאים, 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. על ההבדל בין כיווני הספינים, ועל מצב ייחודי הקרוי "סופרפוזיציה", עשויה להתבסס הטכנולוגיה של חישוב קוונטי.

 

"סופרפוזיציה" היא תופעה קוונטית שהוצעה לראשונה על-ידי ארווין שרדינגר, אשר נהג להמחיש אותה 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 רדיואקטיבי. דעיכת החומר הרדיואקטיבי, המלווה בקרינה, תפעיל בעיתוי כלשהו את ההדק, שיפתח את הבקבוק וישחרר את חומר הרעל אשר ימית את החתול. הצופה המתבונן בקופסה הסגורה שבתוכה מצוי החתול יחד עם בקבוק הרעל אינו יכול לדעת אם ההדק הרדיואקטיבי כבר פעל, ולכן הוא אינו יכול לדעת בוודאות האם החתול חי או מת. מהו, אם כן, מצבו האמיתי של החתול? לפי תורת הקוונטים, לפני שהצופה פותח את הקופסה או מודד בכל דרך אחרת את מצבו של החתול, החתול מתקיים במצב של סופרפוזיציה: הוא חי ומת ("חימת") בעת ובעונה אחת. לא מדובר ב"טריק", או באמירה עקרונית בלבד. על-פי תורת הקוונטים, החתול שטרם נמדד הוא באמת ובתמים חי ומת בעת ובעונה אחת. וכאן כדאי אולי להזכיר שתורת הקוונטים היא התורה המדעית המוכחת ביותר.

 

פרופ' עמיר יעקבי, מהמחלקה לפיסיקה של חומר מעובה במכון ויצמן למדע, וחברי קבוצת המחקר של פרופ' צ'ארלס מרכוס מהרווארד, ביצעו באחרונה ניסוי שהראה כיצד אפשר להשתמש בתכונת הספין של אלקטרונים המצויים במצב של סופרפוזיציה, כבמעין ביטים קוונטיים. הסופרפוזיציה מתקיימת עד לרגע שבו מישהו מודד את המערכת, או צופה בה. ברגע המדידה, פג ה"קסם", והחתול יכול להיות או חי או מת, ואינו יכול עוד "ליהנות משני העולמות". השאלה היא, כמה זמן היא יכולה להתקיים עד לרגע שמישהו, או משהו, ימדוד אותה ויפסיק בכך את קיומה. למעשה, התשובה לשאלה הזאת תלויה בשאלה מהי ה"ישות" הנתונה במצב של סופרפוזיציה: חתול? חלקיק חומר כלשהו? מטען חשמלי? ספין? המדענים יצרו מערכות שבהן הספין של האלקטרון היה נתון בסופרפוזיציה, והצליחו למדוד, לראשונה בעולם, את משך קיומה של הסופרפוזיציה הזאת - באלקטרון בודד. כלומר, כמה זמן יכול להימשך המצב שבו האלקטרון מתאפיין בסיחרור לשני כיוונים בעת ובעונה אחת - מצב שמסתיים ברגע שמישהו, או משהו, מודד את האלקטרון. לצורך הניסוי הזה פיתחו המדענים דרך למדוד את כיווני הספין של האלקטרון הבודד, הכלוא ב"קופסה". דרך זו מבוססת על מערכת ש"מתרגמת" את תכונת הספין למטען חשמלי - שאת מיקומו אפשר למדוד באמצעים ידועים. כך, למעשה, המערכת מודדת מטענים חשמליים - ומסיקה מהם את כיווני הספינים של החלקיקים. מאמר על המחקר הזה התפרסם באחרונה בכתב העת המדעי "סיינס".

 

למעשה, השיטה החדשה מאפשרת כיום למדענים לכוון את כיווני הספינים של חלקיקים בכל כיוון רצוי, ולא רק בשני הכיוונים הרגילים. משמעות הדבר היא, שהמדענים מסוגלים לשלוט בתכונת הספין ולעצב מצבים שונים של סופרפוזיציות, כרצונם. כל סופרפוזיציה שונה כזאת צופנת מידע אחר. כך שהשיטה החדשה מאפשרת הצפנת מידע במערכות קוונטיות המבוססות על הספין של האלקטרון. זהו צעד משמעותי בדרך לפיתוחם של מחשבים קוונטיים שיוכלו לבצע מטלות שמחשבים רגילים מתקשים בהן; לדוגמה, פירוק מספר שהוא מכפלה של שני מספרים ראשוניים, למרכיביו. ליכולת כזאת יש משמעות רבה, בין היתר, בתחום הפיענוח וההצפנה.

 

פרופ' יעקבי, ותלמידות המחקר מרב דולב וסנדרה פולטי מהמחלקה, מתמקדים כיום במאמצים לצמד ביטים קוונטיים, להעבירם ממקום למקום במרחב, ליצור שערים לוגיים קוונטיים, ובעוד מספר שאלות העשויות לקדם יישום של מחשבים קוונטיים.