הינך נמצא כאן

רואים את האור

01.09.2014

מימין: אוראל בכלר, גבריאל גנדלמן, ד"ר ברק דיין, איתי שומרוני, אורי מור, יוליה לובסקי וסרג׳ רוזנבלום. סופרפוזיציה

היחידה הבסיסית של המחשבים האלקטרוניים בני-זמננו, הטרנזיסטור, יכולה להימצא באחד משני מצבים אפשריים (למשל, אפס או אחד). לפיכך, בדיקת הפתרונות באמצעותו נעשית באופן סדרתי. לעומת זאת, טרנזיסטור קוונטי עשוי להימצא במספר מצבים בעת ובעונה אחת. תכונה זו עומדת בבסיס המאמץ לבניית מחשבים קוונטיים, אשר, כך מקווים, יוכלו לבדוק מספר עצום של פתרונות באופן מקבילי, וכך להיות יעילים ומהירים לאין שיעור מהמחשבים של ימינו.
 
יכולת הפעולה המקבילה של טרנזיסטור קוונטי נובעת מתכונה בסיסית של תורת הקוונטים: חלקיקים הנתונים במערכת סגורה יכולים להימצא בעת ובעונה אחת בכמה מצבים. תופעה זו, הקרויה סופרפוזיציה, מתקיימת רק אם איש אינו צופה בחלקיקים או מודד אותם. כלומר, כאשר צופים במערכת קוונטית או מודדים אותה, הקיום המקבילי שלה קורס אל אחת מאפשרויות הקיום "בלבד". לכן, כדי לשמור על יכולת הפעולה המקבילית של טרנזיסטור, אסור "להציץ" אל תוך המערכת. מבחינה מעשית, משמעות הדבר היא שהמערכת חייבת להיות מבודדת היטב, כדי למנוע כל דליפה של מידע ממנה החוצה, וכי יש למנוע כל אינטראקציה בין רכיבי המערכת לבין עצמם, ובינם לבין הסביבה החיצונית.
 
למעשה, שימור מוחלט של הסופרפוזיציה אפשרי כיום רק במערכות פשוטות ביותר, המורכבות, למשל, מאטומים בודדים, אשר מתקשרים זה עם זה באמצעות פוטונים (חלקיקי אור) בודדים. הפוטונים הם מועמדים טובים במיוחד לשמש כבסיס לתקשורת בתוך מערכות קוונטיות כאלה, משום שמטבעם הם אינם יוצרים אינטראקציות בקלות.
 

כעת עשו ד"ר ברק דיין וחברי קבוצתו – איתי שומרוני, סרג' רוזנבלום, יוליה לובסקי, אוראל בכלר וגבריאל גנדלמן – מהמחלקה לפיסיקה כימית שבפקולטה לכימיה במכון ויצמן למדע, צעד משמעותי בכיוון זה. הם הצליחו, לראשונה בעולם, לבנות טרנזיסטור פוטוני – התקן קוונטי המבוסס על אטום בודד שמבצע פעולת מיתוג לפוטונים בודדים (בדומה לטרנזיסטור אלקטרוני שממתג זרמים חשמליים).

 

בלב המערכת שפיתחו המדענים מצוי אטום אשר יכול להימצא באחד משני מצבים, ובהתאם לכך מעביר פוטונים ימינה או שמאלה – לפי הוראה שקיבל מהפוטון הקודם. במצב אחד הוא מזרים את הפוטונים המגיעים מימין – שמאלה; כאשר פוטון מגיע משמאל, הדבר גורם להחזרתו באותו כיוון, ולהיפוך מצבו של האטום. במצב ההפוך מוזרמים פוטונים המגיעים משמאל ימינה, ופוטון המגיע מימין מוחזר, והופך בחזרה את מצבו של האטום. כך נוצר מפסק מתחלף, אשר מופעל אך ורק באמצעות פוטונים בודדים – ללא צורך בהפעלת שדות חיצוניים אחרים על המערכת. הודות לכך אפשר עקרונית לצרף את היחידות הבסיסיות זו לזו למערכת מורכבת. היחידות יעבירו ביניהן את זרם הפוטונים, וכל אחת מהן תפעיל את הבאה בתור ותקבע את כיווניותה.
 
אילוסטרציה: הטרנזיסטור הפוטוני. בליבו אטום יחיד (בכתום) המנתב פוטונים (בצהוב) בכיוונים שונים
הישג זה, שהתפרסם באחרונה בכתב- העת המדעי Science, התאפשר בזכות שילוב של שתי טכנולוגיות חדשניות. האחת מאפשרת ללכוד ולקבע אטומים בתוך תא ריק באמצעות קרני לייזר ושדות מגנטיים למשך פרק זמן ארוך דָיו כדי לקיים מפגש עם זרם הפוטונים. טכנולוגיה נוספת אחראית להביא את הפוטונים למפגש. לכידתם מתבצעת במהודים (רזונטורים) זעירים על שבב, בהם מסתובבים הפוטונים פרק זמן ממושך. מהודים מסוג זה, המיוצרים בשיטות פוטו-ליטוגרפיות הדומות לטכנולוגיה שבה מיוצרים שבבים, נחשבים למהודים הטובים בעולם כיום, והם מאפשרים את האינטראקציה המבוקרת היטב בין הפוטונים לבין האטום. ד"ר דיין היה שותף למאמץ לשלב שתי טכנולוגיות אלה לפני מספר שנים, בזמן מחקרו הבתר- דוקטוריאלי במכון הטכנולוגי של קליפורניה, וכיום מעבדתו במכון ויצמן למדע היא אחת מקומץ מעבדות ברחבי העולם המיישמות אותן.
 
"הדרך לבנייתו של מחשב קוונטי עדיין ארוכה", אומר ד"ר דיין, "אך המערכת שיצרנו ממחישה עקרונות בסיסיים שעשויים להיות ישימים בארכיטקטורות עתידיות של מחשב כזה. העקרונות שהדגמנו בהתקן הזה, שבו אטום בודד מתפקד כטרנזיסטור – או כמתג מתחלף – לפוטונים, יכולים להוות בסיס לבניית רשתות קוונטיות עתידיות שבהן יהיו הרבה התקנים פאסיביים המתַקשרים זה עם זה רק באמצעות פוטונים, כולל רשתות שיהיו מבוססות על מרכיבי בסיס שאינם בהכרח אטומים. במחקרים הבאים אנו מקווים להדגים עוד התקנים כאלו, שיופעלו אך ורק על-ידי פוטונים, כמו למשל זיכרון קוונטי או שער לוגי".
 
 
 
 
 

לשיתוף:

 

 

 

 

פודקאסטים
אינסטגרם