לחבר את העתיד לעבר

מדענים ישראלים יצרו שזירה קוונטית בין חלקיק שכבר לא קיים לחלקיק שטרם נוצר

שזירה קוונטית (entanglement) היא אחת התופעות המדהימות הקיימות במכאניקת הקוונטים. כששני חלקיקים שזורים, יש ביניהם תיאום כה הדוק, שהוא יישמר גם אם החלקיקים נמצאים במרחק עצום זה מזה. במכניקת הקוונטים, חלקיק יכול להיות בכמה וכמה מצבים בעת ובעונה אחת, עד שמדידה מגלה מה מצבו ה”אמיתי”. בזוג חלקיקים שזורים, מדידה של חלקיק אחד תשפיע מייד גם על מצבו של החלקיק האחר, גם אם החלקיק שמדדנו נמצא בירושלים, והאחר נמצא – לדוגמה – על הירח. זו הסיבה שאלברט איינשטיין התנגד בשעתו למכניקת הקוונטים: לכאורה המידע מועבר בין החלקיקים השזורים מהר יותר ממהירות האור, אף על פי שעל פי תורת היחסות הפרטית, שום דבר אינו יכול לנוע מהר מן האור. ב-1981 הוכיחו פיסיקאים, בעזרת ניסוי שהגה הפיסיקאי הצפון-אירי ג’ון בל (Bell), שאיינשטיין טעה בהתנגדותו, ושזירה קוונטית אכן מתקיימת. את הפרדוקס שהציג איינשטיין יישבו החוקרים (בינתיים), בהסבר כי לא מועבר מידע בין החלקיקים, ולכן אין הפרה של תורת היחסות.

כבר לא דמיון

מאז אותה הוכחה ראשונית, הפכה השזירה הקוונטית בהדרגה לבת-בית במעבדות רבות בעולם, ומדענים מנסים לרתום אותה הן להבנה טובה יותר של תופעות פיסיקליות, הן לרתימת התופעות האלה לפיתוח כלים פיסיקליים שנראו בעבר דמיוניים, אך בשנים האחרונות הם כבר נראים קרובים יותר למציאות. אחד מהם למשל הוא הטלפורטציה – שיגור עצמים למרחק בלתי מוגבל (כמו העברת אנשי הצוות מספינת החלל “אנטרפרייז” ואליה בסדרה “מסע בין כוכבים”). רעיון אחר הוא המחשב הקוונטי, שהיחידה הבסיסית שלו אינה בינארית כמו במחשב רגיל (יכולה להיות רק באחד משני מצבים, 0 או 1), אלא קוונטית, ויכולה להיות בכל זמן נתון גם בשני המצבים בו זמנית, או בשורה ארוכה של מצבי ביניים. יחידות כאלה יעניקו גם למחשב קטן יחסית עוצמת חישוב אדירה ביחס למחשבים העומדים לרשותנו כיום, ויחוללו מהפך של ממש בתחומים רבים של חיינו.

רחוקים גם בזמן

מאז הגה שרדינגר (Schroedinger) את רעיון השזירה הקוונטית בשנות ה-30, התייחסו החוקרים להפרדה בין החלקיקים הקוונטיים כהפרדה מרחבית. כאמור – הם יכולים להיות אפילו בקצוות שונים של היקום, ועדיין יישארו שזורים. ואולם, חוקרים מהאוניברסיטה העברית הוכיחו כעת שההפרדה יכולה להתקיים לא רק במרחק, אלא גם בזמן. כלומר, אפשר לשזור חלקיק שכבר אינו קיים, עם חלקיק שטרם נוצר, וכך אפשר – תיאורטית – להשפיע על מצבו של החלקיק בעתיד, ואפילו בעבר. כדי לעשות את הניסוי השתמשו החוקרים בזוגות של חלקיקי אור (פוטונים), כפי שאפשר לראות בתרשים מימין. הם יצרו תחילה זוג אחד של פוטונים שזורים, נקרא להם 1 ו-2. לאחר שפוטון מס. 1 נעלם, יוצרים זוג נוסף, 3 ו-4. אז עושים מדידה משותפת לפוטונים 2 ו-3, ושוזרים ביניהם. כך למעשה נוצרת שזירה גם בין פוטונים 1 ו-4, אף על פי ש-4 נוצר רק לאחר שמס. 1 כבר לא היה קיים. את הניסוי הובילו ד”ר חגי אייזנברג מהמחלקה לפיסיקה, עם תלמיד המחקר אלי מגידיש, ועם תלמידי המחקר אסף הלוי, אסף שחם וליאת דברת. במאמר שפורסם בעת האחרונה בכתב העת Physical Review Letters, החוקרים יצרו הפרדה של 200 מיליארדיות השנייה (ננו-שניות), בין שני זוגות הפוטונים, והוכיחו את השזירה בין הפוטונים שלא היו קיימים בעת ובעונה אחת. לדבריהם זו הוכחת היתכנות שאפשר ליצור גם הפרדה ממושכת יותר.

עבר ועתיד

מעבדה ברומא יכולה לשזור זוג חלקיקים, ולשלוח אחד מהם ללונדון ואחד לאוסטרליה הרחוקה. העבודה של מגידיש, אייזנברג ושותפיהם מוכיחה כי המדענים בלונדון יוכלו לעשות מדידות בחלקיק שלהם, בלי צורך לחכות שגם החלקיק השני יגיע ליעדו כדי לעשות את המדידות שהם מבקשים – הם יישארו שזורים למרות הפרשי הזמנים ביניהם.
“העבודה שלנו מדגימה שזירה בין שני חלקיקים שלא זכו להכיר אחד את השני”, אומר מגידיש. “מבחינה מדעית היא מאירה את השאלה מהו בעצם הזמן. במקרה הזה העבר יכול להשפיע על העתיד, ולהיפך – בעיקר במשמעות הפילוסופית. ואולם, לחוסר הרלוונטיות של הזמן בהתפתחות של כלל המערכת, יש השפעה על תכנון יעיל יותר של רשתות תקשורת ומחשוב קוונטיות, שאנו מצפים להן בעתיד”.