לעצור את האור

איך עוצרים את האור בתנועתו ומחזיקים בו – ולו לשבריר שנייה? יכולת זו עשויה להיות חיונית עבור מערכות אופטיות קוונטיות עתידיות, דוגמת תקשורת מאובטחת וסוגים חדשים של טכנולוגיית מידע. קבוצת מחקר בראשות ד"ר עופר פירסטנברג במכון ויצמן למדע הציגה באחרונה שיטה שבה חלקיקי אור בודדים – פוטונים – נלכדים ומשוחררים על-פי דרישה באופן שעשוי לשמש בעתיד כזיכרון עבור מידע קוונטי.

"פוטונים יכולים לשאת מידע ממש כמו אלקטרונים", מסביר ד"ר פירסטנברג, מהמחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות. "בנוסף, הם יכולים לעבור מרחקים ארוכים, כמו למשל בסיבים אופטיים, מבלי לאבד מידע". בשל כך, מערכות שמבוססות על פוטונים עשוית להיות טובות יותר מאשר מערכות אלקטרוניות עבור טכנולוגיות עתידיות של תקשורת וחישה מרחוק. בדומה למערכות אלקטרוניות, מערכות פוטוניות צריכות לארוז ולסנכרן מספר יחידות מידע. כדי ליצור "חבילות מידע" שכאלה, נדרשת שליטה בעיתוי פליטת הפוטונים. התקנים קיימים – מקורות אור – מסוגלים לירות פוטונים בודדים, אך עושים זאת באופן אקראי; אין שום דרך לחזות בדיוק מתי הפוטון ייפלט או כמה זמן יחלוף עד שהשחרור הבא יקרה. אחת הדרכים להתמודד עם חוסר שליטה זה היא למצוא שיטה ללכידת הפוטונים ולשחרורם על-פי דרישה – כלומר, לאחסון חלקיקי אור באופן זמני.

אף כי ד"ר פירסטנברג וקבוצת המחקר שלו אינם הראשונים לאחסן פוטונים, הם הראשונים לעשות זאת בדרך שפועלת בטמפרטורת החדר והיא אף מהירה יחסית, יעילה מאוד ונטולת רעש (כלומר ללא עיוות המידע). את המערכת שלהם הם מכנים "פליים" (FLAME - Fast Ladder Memory), והיא מורכבת ממקורות לייזר וכמות קטנה של גז אטומי טהור – במקרה זה, של היסוד רובידיום. האלקטרונים של אטומי הרובידיום פועלים כ"זיכרון פוטוני", ופולסי לייזר חזקים משמשים לתהליכי הכתיבה והקריאה. הפוטונים המעופפים מאוחסנים תחילה באלקטרונים מעוררים – שמסלולם סביב הגרעין נע רמה אחת החוצה. לאחר כמה עשרות ננו-שניות – זמן ארוך מספיק כדי לסנכרן את הפלט ממקורות פוטוניים מהירים רבים – הזיכרון נקרא, והאלקטרונים שבים למצב הבסיסי שלהם והפוטונים לתנועתם המהירה.

זו לא מערכת עדינה שעובדת רק בוואקום גבוה או בטמפרטורות נמוכות מאוד. בסופו של דבר, נוכל להכניס מערכת כזאת למשהו בסדר גודל של טלפון סלולרי"

המדענים מסבירים כי היות שמה שנכנס הוא גם מה שיוצא, "פליים" נחשבת למערכת נטולת רעש כמעט לחלוטין – כלומר ללא הפרעות בלתי-רצויות הנפוצות במערכות שכאלו. "הפוטונים ששוחררו מהאלקטרונים זהים לאלו שהכנסנו – בדיוק עם אותם מאפיינים וכיוון תנועה. כך שבערך רק אחד ל-10,000 עלול להיות פוטון שלא אנחנו הכנסנו. כזיכרון קוונטי, זו מערכת נהדרת", אומר התלמיד רן פינקלשטיין, שהוביל את המחקר במעבדה של ד"ר פירסטנברג, לצד ד"ר אילון פועם. ממצאים אלה פורסמו באחרונה בכתב-העת המדעי Science Advances במקביל לתוצאות של ניסויים דומים שנערכו באוניברסיטת אוקספורד בבריטניה.

מערכת הניסוי תופסת כיום שולחן גדול – המכוסה בעיקר בלייזרים, במראות ובעדשות, אבל הלכידה בפועל מתרחשת במיכל בגודל אגודל. בסופו של דבר, המדענים מקווים למזער את התהליך: גז אטומי המכיל מיליארדי אטומים יכול להיכלא בחלל אטוּם של מילימטר מעוקב אחד, ומאחר שהאטומים חוזרים למצב המקורי שלהם, ניתן לעשות בו שימוש חוזר כמעט ללא הגבלה. "למעשה, אנחנו צריכים רק שלושה רכיבים – מקור פוטונים, ענן גז כלוא ולייזר חזק", אומר פינקלשטיין. "זו לא מערכת עדינה שעובדת רק בוואקום גבוה מאוד או בטמפרטורות נמוכות מאוד. בסופו של דבר, נוכל להכניס מערכת כזאת למשהו בסדר גודל של טלפון סלולרי".

בעתיד הרחוק יותר, הרעיון של שימוש בפוטונים כדי להעביר מידע בתהליכים כמו מחשוב קוונטי, תקשורת או חישה עשוי לנצל גם את אחד ההיבטים המוזרים יותר של פיסיקה קוונטית – תופעה הידועה בשם שזירה קוונטית (entanglement). כאשר שני חלקיקים שזורים זה בזה, אי אפשר לתאר את החלקיקים כמערכות נפרדות, ותיאורם אפשרי רק כמערכת אחת המבוזרת על פני מספר מקומות. "אם הפוטונים הלכודים היו קודם לכן שזורים בפוטונים אחרים במרחק מה, זו הייתה תקשורת קוונטית במובן האמיתי של המילה – בהיותה מבוססת על עקרונות של מכניקת הקוונטים שאיננה נראית בעולם היום-יומי", אומר ד"ר פועם. תקשורת קוונטית, אם ניתן יהיה לפתחה, תהיה כמעט בלתי-אפשרית לשיבוש, ולכן החוקרים מאמינים כי היא תהיה שימושית במיוחד עבור דרכי הצפנה חדשות.

ד"ר פירסטנברג וקבוצת המחקר שלו מתכננים לבחון פוטונים שזורים במערך ה"פליים", ויש להם גם רעיונות נוספים, עבור ניסויים חדשים במערכת הקוונטית-אופטית שלהם. לדוגמה, בכוונתם ליצור רכיבים מורכבים יותר, כגון שערים לוגיים עבור המידע שנישא בפוטונים המאוחסנים.

"למרות שעדיין איננו יודעים אילו מערכות מידע קוונטי יקבלו את הבכורה", אומר ד"ר פירסטנברג, "יש כמה דברים שאנחנו יודעים כי עבורם הפוטונים הם המתאימים ביותר. לדוגמה, התגלית מן הזמן האחרון של גלי כבידה בגלקסיה מרוחקת הסתמכה על חישנים אופטיים רבי עוצמה. כמו כן מסרי התקשורת שלנו נשלחים כבר כיום באמצעות גלי אור דרך סיבים אופטיים דקים; 'ביטים קוונטיים' פוטוניים יכולים לנוע בסיבים דומים. לכן, למערכות זיכרון קוונטיות המבוססות על פוטונים בודדים עשויים להיות יישומים בעתיד הנראה לעין". עיבוד מידע קוונטי אמיתי בעזרת פוטונים יתאפשר כנראה רק בעתיד הרחוק יותר, אך המחקר הנוכחי מקרב עתיד זה.