שליטה בפוטונים

ד”ר דיין אינו מסתפק ביכולת לשגר פוטון שיפגע באטום באופן ודאי ועקבי. הוא רוצה גם לשלוט בתוצאות האפשריות של המפגש: הסטת הפוטון ממסלולו, בליעת הפוטון באטום, עירור של האטום וכדומה

אלוהים לא משחק עם העולם בקוביות”
– כך הגיב אלברט איינשטיין על עקרון האקראיות העומד ביסודה של תורת הקוונטים. עקרון זה מאפשר תיאום מיידי ומלא בין אירועים אקראיים המתחוללים בעת ובעונה אחת, אפילו במרחק רב מאוד זה מזה – כמו, למשל, שתי קוביות משחק המוטלות במרחק שנות אור זו מזו ונופלות תמיד על מספרים זהים. אינטואיטיבית (כך לפחות חש איינשטיין), תופעה זו היא בלתי-אפשרית. אלא שבפועל, מערכות אקראיות הפועלות בתיאום מלא נצפו בשנים האחרונות במספר מעבדות ברחבי העולם, וכונו “מערכות שזורות”.

הקסם ו”חוסר ההיגיון” של המערכות השזורות משכו את תשומת לבו של ד”ר ברק דיין, שהצטרף באחרונה למחלקה לפיסיקה כימית במכון ויצמן למדע. מערכות אלה עומדות בבסיס האופטיקה הקוונטית, העשויה לסייע בקידום בנייתם של מחשבים קוונטיים רבי עוצמה. המערכות השזורות מציעות אפשרות לחישוב במקביל – כלומר, בדיקה של מספר פתרונות בעת ובעונה אחת, באמצעות חישוב המתבצע לפי חוקים מתמטיים חדשים, שאינם מתקיימים מחוץ למערכות שזורות. חישוב מקביל כזה יכול, למשל, לאפשר פיענוח של הצפנים הנהוגים כיום, המבוססים על מכפלה של מספרים ראשוניים גדולים מאוד (ביצוע המטלה הזאת באמצעות המחשבים הקיימים כיום אינו מעשי מכיוון שהיא תימשך זמן העולה בהרבה על משך חיי אדם). חישוב קוונטי כזה דומה לבעיה של סריקת מספר גדול של מזוודות בחיפוש אחר פצצה. במצב רגיל יש לסרוק את המזוודות בזו אחר זו, תהליך שעלול להימשך זמן רב מדי. לעומת זאת, התייחסות למזוודות כאל מערכות שזורות מאפשרת לבדוק רק חלק קטן מהן, ובכל זאת לקבל מידע על כולן – ובכך לקבוע במהירות ובוודאות היכן מוטמנת הפצצה. המגבלה העיקרית על השימוש במערכות שזורות לצורך חישובים מהירים היא הכלל הידוע של תורת הקוונטים, שלפיו המדידה – או התצפית – משפיעה על התוצאה. מכיוון שכך, במשך כל תהליך החישוב אסור “להציץ” אל תוך המערכת. מבחינה מעשית, משמעות העניין היא כי המערכת חייבת להיות מבודדת, וכי יש למנוע כל פליטה של מידע (אור, חלקיקים וכדומה) אל מחוץ למערכת, ולשלוט לחלוטין ביחסי הגומלין החשמליים או האחרים בין חלקיה. תנאים כאלה אפשריים כיום רק במערכות קטנות ופשוטות מאוד, המורכבות מאטומים ומפוטונים בודדים. “הרעיון הוא שהאטום הוא ה'מחשב', והפוטון מעביר מידע קוונטי לתוכו וממנו – כלומר מתפקד כקלט וכפלט. האופי המינימליסטי של המערכת מונע זליגה לא רצויה של מידע”, אומר ד”ר דיין.כדי לבנות מערכות כאלה ולהשתמש בהן, ולהבין לעומק את היחסים בין אטומים לפוטונים, יש להגיע לשליטה מלאה בקשרי הגומלין ביניהם – כלומר להפגיש אטום בודד עם פוטון בודד. מדובר במשימה קשה: פוטון הוא חלקיק חלש מאוד, וכדי להבחין בו יש צורך בגלאי גדול (או בעין רגישה במיוחד, כמו עיניהם של ינשופים או חתולים). אם לא די בזה, האטום, שאליו יש לשגר את הפוטון, הוא מטרה זעירה ביותר. ד”ר דיין אינו מסתפק ביכולת לשגר פוטון שיפגע באטום באופן ודאי ועקבי. הוא רוצה גם לשלוט בתוצאות האפשריות של המפגש: הסטת הפוטון ממסלולו, בליעת הפוטון באטום, עירור של האטום וכדומה. לצורך כך הוא משתמש בטכנולוגיות ייחודיות וחדשניות, שלפיתוחן היה שותף בעצמו בשנים האחרונות: קרני לייזר ושדות מגנטיים שולטים במיקומם של אטומים בודדים, ומביאים אותם במגע ממושך עם הפוטונים הכלואים במהודים (Resonators) זעירים, כפי שפורסם בכתב-העת המדעי Nature. מהודים אלה, אשר פותחו במכון הטכנולוגי של קליפורניה (Caltech), מורכבים מטבעות הדומות לסיבים אופטיים, וקוטרן אינו עולה על 30 מיקרון (שליש מעוביה של שערת אדם). בתוך הטבעות האלה נעים הפוטונים. כיוון נוסף שנחקר במעבדתו של ד”ר דיין הוא מפגשים ויחסי גומלין בין פוטונים, בתיווך אטום. זהו אתגר מורכב עוד יותר, שכן פוטונים לא נוטים “לדבר” זה עם זה. במחקרו הבתר- דוקטוריאלי יצר ד”ר דיין “דלת מסתובבת” עבור פוטונים במהוד. הפוטונים עשויים להגיע למהוד כיחידים או בזוגות או בשלישיות, אבל יוצאים ממנו תמיד כבודדים, בזה אחר זה.

עבודה זו, שהתפרסמה בכתב-העת המדעי Science, מהווה את אחת הדוגמאות המעטות הקיימות עד היום ליחסי גומלין בין פוטונים. הבנת יחסי הגומלין האלה עשויה לסייע בפיתוח דרכים לייעול העברת המידע במערכות תקשורת.”עולם התקשורת של ימינו מבוסס על העברת מידע באמצעות אור, בסיבים אופטיים”, אומר ד”ר דיין, “אולם כיום יש צורך בציוד אלקטרוני מתקדם שמווסת את התעבורה (למשל, כדי לאפשר למידע המגיע ממקום אחר להצטרף לנתיב של מידע קיים). באמצעות יצירת מיתוג המבוסס על אופטיקה יוכלו הפוטונים הנעים בסיב האופטי לאותת לפוטונים המצטרפים 'חכו רגע, אנחנו עוברים'”. יחסי גומלין בין פוטונים יוכלו גם לשמש בסיס לפיתוח שערים לוגיים למיחשוב קוונטי. “השאיפה שלי היא שנצליח לשלוט בפוטונים כמו שאנו יודעים לשלוט כיום באלקטרונים. יכולת כזו תאפשר להעביר את תחום התקשורת והמיחשוב מהעולם הקלאסי של היום לעולם הקוונטי, על כל האפשרויות הגלומות בכך”.

אישי

ברק דיין נולד בתל-אביב בשנת 1970, ושירת בצה”ל במסגרת תוכנית “תלפיות”.
בשנת 1992 השלים לימודי תואר ראשון בפיסיקה ומתמטיקה, ובשנת 1999 קיבל תואר שני בפיסיקה – שניהם מהאוניברסיטה העברית בירושלים. לאחר שירות במערכת הביטחון המשיך ללימודי תואר שלישי בפיסיקה במעבדתו של פרופ' ירון זילברברג במחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות במכון ויצמן למדע.

במסגרת זו השתתף בהקמת מעבדה חדשה בתחום האופטיקה הקוונטית. אחד מניסוייו בעבודת הדוקטורט סיפק את אחת ההדגמות הראשונות של יחסי גומלין בין זוגות פוטונים שזורים, והראה כי במצב השזור הם נשלטים על-ידי חוקים מתמטיים שונים מאלה שמתארים מערכות רגילות. לאחר מחקר בתר-דוקטוריאלי במעבדה לאופטיקה קוונטית, בהנחיית פרופ' ג'ף קימבל מהמכון הטכנולוגי של קליפורניה (Caltech), חזר דיין ארצה, ובשנת 2008 הצטרף כחוקר בכיר לסגל המחלקה לפיסיקה כימית. בתקופת לימודיו במכון השתתף בהכנת ובהדרכת קורסים לבני נוער. את העניין שלו בחינוך מדעי הוא מנתב כיום בעיקר כלפי ילדיו, תמר בת השמונה ועודד בן השלוש, ואת רוב זמנו הפנוי הוא אוהב לבלות בחברתם.

מאמר קודם על מחקרו של ברק דיין