תחזית קוואנטית

01.09.2003
 
ד"ר ליאוק קרוניק. כימיה, פיסיקה, מתמטיקה ומדעי המחשב
 
מדוע חומר מסוים נשבר במאמץ מוגדר? מדוע חומר אחר מוליך חשמל, וחומר שלישי מצטיין בשקיפות? מה מקנה לחומרים שונים תכונות כמו הולכת חום, מגנטיות, ואת היכולת להחזיר קרינת אור באורכי גל מסוימים, דבר שקובע, למעשה, את צבע החומר? כל התכונות האלה נקבעות על-פי מבנה האטומים של החומר, כלומר, מספר הפרוטונים, הניטרונים והאלקטרונים הכלולים בהם, וכן על-פי דרך ההתארגנות של האטומים האלה בגוש החומר.
 
אם כך, אפשר לצפות שהמדענים יוכלו לחזות מראש את תכונותיו של חומר מסוים על-פי מאפייניו הבסיסיים (הרכב האטומים שלו ודרך התארגנותם של האטומים בגוש החומר). אלא שמתברר, כי במקרים רבים יכולת החיזוי הזאת עדיין רחוקה מאוד מהישג ידינו. למעשה, זו בדיוק מטרת מחקריו של ד"ר ליאור קרוניק, שהצטרף באחרונה למחלקה לחקר חומרים ופני שטח במכון ויצמן למדע.
 
כדי "לתרגם" את המידע הבסיסי על מרכיבי החומר ולהסיק מהם את תכונותיו המכניות, האופטיות והאחרות של גוש החומר, יש להכיר, להבין ולחשב במדויק את הקשר הכימי שבין האטומים המרכיבים את גוש החומר, או, ליתר דיוק, את מערכת הגומלין המסובכת שבין האלקטרונים המקיפים את האטומים והיוצרים את הקשרים שביניהם. חישובים מסוג זה מתבססים על חוקי תורת הקוואנטים, ובמיוחד על יישומים של משוואת שרדינגר. "הבעיה היא", אומר ד"ר קרוניק, "שמשוואת שרדינגר קשה מאוד לפתרון, ובאופן מעשי, יכולתנו להשתמש בה מוגבלת למולקולות קטנות בלבד".
 
כמו במקרים אחרים, גם כאן, המדענים שמתקשים להגיע לפתרון מדויק מסתפקים בינתיים בפתרונות מקורבים. ה"פשרה" מתבטאת בכך שבמקום לבחון ולנסות להבין בבת אחת את כל מערכת היחסים המתקיימת בין מרכיביו של "ענן" אלקטרונים, מסתפקים המדענים בתמונת עולם מקורבת, שבה כל אלקטרון הוא יישות בפני עצמה, המקיימת יחסי גומלין עם אלקטרונים אחרים. במובן מסוים, יש כאן ויתור על התמונה השלמה של היער, והסתפקות בהבנת יחסי הגומלין שבין עצים בודדים בתוכו. החישובים המקורבים האלה מבוצעים על-פי תפיסה שפיתח וולטר קוהן, שזכה בעקבות עבודתו זו בפרס נובל לכימיה לשנת 1998. קוהן, ששנה לפני כן (1997) הוכתר בתואר ד"ר כבוד מטעם מכון ויצמן למדע, סיפר על שיחת הטלפון משטוקהולם שבה התבשר על זכייתו בפרס: "חשבתי לרגע להעיר להם שבוודאי נפלה כאן טעות, אני הרי פיסיקאי והם דיברו אתי על פרס נובל בכימיה. אבל במחשבה שנייה לא אמרתי דבר, שמא הם עוד יתחרטו, או שיתברר שזו טעות...".
 
ד"ר קרוניק, מכל מקום, ממקד את מחקריו בניסיונות לחשב ולחזות את תכונותיהם של חומרים אמיתיים, העשויים לעמוד במרכזן של טכנולוגיות חדשות. דוגמה אחת לכך הם חומרים "ספינטרוניים", שהם גם מוליכים למחצה במובן האלקטרוני הרגיל של המלה, וגם מאפשרים למדענים להפיק מהם זרם של אלקטרונים שכולם מתאפיינים בסיחרור ("ספין") בכיוון אחיד. סיליקון, לדוגמה, אינו חומר ספינטרוני.
 
ד"ר קרוניק אומר, שבאמצעות הפעלת שדות מגנטיים אפשר לשלוט בתכונת הספין של האלקטרונים, וכך אפשר - בשלב זה באופן תיאורטי בלבד - לשלוט (לנתק ולחבר לפי הצורך) בטרנזיסטורים שונים במעגלים האלקטרוניים. מחשב שיהיה בעל יכולת לחבר ולנתק טרנזיסטורים שונים לפי הצורך יוכל, למעשה, לארגן לעצמו את החומרה בדרך שתתאים בדרך הטובה ביותר לביצוע משימה מוגדרת.
 
בנוסף, התקנים אלקטרוניים דיגיטליים (ספרתיים) רגילים, שעליהם מבוססים המחשבים הקיימים, מסוגלים לקיים אחד משני מצבים, אפס ואחד, או "מופעל" ו"כבוי". אבל התקנים שייבנו מחומרים ספינטרוניים יוכלו לקיים מצבים רבים, שיתבטאו במעין "ערבוב" של כיווני הספין באלקטרונים שעוברים דרכם. יכולת זו עושה את החומרים האלה למועמדים טבעיים לעמוד בבסיסם של מחשבים קוואנטיים, שיהיו מסוגלים להתמודד עם בעיות חישוביות בדרך שונה לחלוטין מהדרך שבה עושים זאת המחשבים הקיימים. העתיד המבטיח הזה תלוי בקיומם של חומרים ספינטרוניים מתאימים. אלא שלרוע המזל, מהחומרים הספינטרוניים שאנו מכירים כיום אי-אפשר לבנות התקנים מעשיים.
 
כאן נשאלת השאלה, האם התכונות המגבילות של החומרים הספינטרוניים הידועים הן "גזירת גורל"; כלומר, האם הן נובעות מהמאפיינים הבסיסיים של החומר (מספר הפרוטונים, הניטרונים והאלקטרונים באטומים שלו, ומהדרך שבה האטומים האלה מתארגנים בגוש חומר)? או שאולי המגבלה נובעת מחוסר יכולתנו לייצר גבישים טהורים ומסודרים מספיק של אותו חומר? חישוביו של ד"ר קרוניק - שהתמקדו באחרונה בחומר ספינטרוני מבטיח מסוים (גאליום חנקני המכיל אחוזים בודדים של מנגן) - הראו שאין מניעה עקרונית ליצור ממנו חומר שנצילות ההתקנים שייבנו ממנו תגיע לכדי מאה אחוז. ממצא זה מוביל מדענים ניסיונאים רבים, במקומות שונים בעולם, לנסות ולמצוא דרכים לייצורו של החומר הזה (עד לעבודתו זו של ד"ר קרוניק לא היה ברור אם יש טעם במאמץ הכרוך בניסיונות לייצר את החומר הזה).
 
לצורך החישובים הקוואנטיים המורכבים שהוא מבצע, מפעיל ד"ר קרוניק את אחד ממחשבי-העל החזקים הקיימים כיום בארץ. מחשב-על זה, מתוצרת "סיליקון גרפיקס", מבוסס על 60 מעבדים הפועלים במקביל. "שם הצופן" של מחשב-העל הזה הוא "ברווזן", שהוא אחד משני מינים של בעלי חיים יונקים שמטילים ביצים. ד"ר קרוניק: "רב-תחומיותו של המחקר שאנו מבצעים במחשב-העל החדש, המחייב שילוב של כימיה, פיסיקה, מתמטיקה ומדעי המחשב, הזכירה לנו את רב-תחומיותו של היונק הנדיר שגם מטיל ביצים".

בהנחה שבני-אדם מורכבים מחומר בלבד, כלומר פרוטונים, ניטרונים ואלקטרונים, ואם נדמיין שלרשותנו יעמוד, אי-פעם, מחשב חזק מספיק שיוכל לחשב את מערכת הגומלין בין כל החלקיקים התת-אטומיים שמרכיבים את גופנו, האם נוכל לחזות את כל פעולותיו של אדם מסוים? ד"ר קרוניק: "מבלי להיכנס לעוביין של שאלות פילוסופיות שהעסיקו את טובי הפילוסופים ועדיין מעסיקות אותם, נראה לי, אינטואיטיבית, שמספרם העצום של החלקיקים התת-אטומיים שמרכיבים את גוף האדם יסכל כל אפשרות לבצע חיזוי כזה. מדובר במערכת כל כך גדולה שהיא חייבת להיות כאוטית, כלומר, שינוי קטן בחלק כלשהו שלה יכול לגרום - באופן שאין לחזותו מראש - שינוי מהותי בתוצאה ההתנהגותית הכללית. בסופו של דבר, נראה שרק אלוהים יכול להשליט סדר בתוך הכאוס, לברוא עולם מסודר מתוך התוהו ובוהו. אנחנו נצטרך להסתפק בינתיים בחישובים מקורבים בלבד, על מערכות קטנות בהרבה מגוף האדם".
 

כמה דברים שלא ידעתם על ד"ר ליאור קרוניק

 
*הוא נולד ברחובות לפני 33 שנים.
*בימי ילדותו נהג לשחק כדורגל על מדשאות המכון.
*בבית-הספר התיכון הוא הפריע למורים ללא הרף.
*הוא מעדיף ללמוד בעצמו תוך כדי קריאה בספרים.
*הוא קיבל תואר ראשון ושלישי מאוניברסיטת תל-אביב במסגרת העתודה האקדמית.
*אחרי שחרורו מצה"ל נסע לארה"ב,שם ביצע מחקר בתר-דוקטוריאלי באוניברסיטת מינסוטה.
*הוא נשוי לנתלי ואב להראל, בן 10 חודשים.

לשיתוף:

 

 

 

 

פודקאסטים
אינסטגרם