סיקור מקיף

פרס נובל לפיזיקה לשנת 2022 לשלושה מדענים מתחום השזירה הקוונטית

החוקרים היו מפורצי הדרך בחקר השזירה הקוונטית. שלושתם זכו בשנת 2010 בפרס וולף לפיזיקה, ובכך המשיכו את המסורת של פרס וולף כמנבא נובל.

שזירה קוונטית. מתוך ההסבר באתר פרס נובל.
שזירה קוונטית. מתוך ההסבר באתר פרס נובל.

פרס נובל לפיזיקה לשנת 2022 הוענק לשלושה מדענים העוסקים בתחום המכאניקה הקוונטית: אלן אספה (Alain Aspect), ג'ון פ' קלאוזר (John Clauser) וכן אנטון ציילינגר (Anton Zeilinger), בזכות "ניסויים עם פוטונים שזורים המספקים הפרה של משפט בל (Bell's theorem) תוך כינון המדע של מידע קוונטי".

שלושתם זכו בשנת 2010 בפרס וולף לפיזיקה. בכך הוכח שוב שפרס וולף הפך למנבא נובל.

שזירה קוונטית (ויקיפדיה)

ריכוז ידיעות בנושא שזירה קוונטית באתר הידען

משפט בל (Bell's theorem)

בפיזיקה, משפט בל הוא שם כללי למשפחת תוצאות המוכיחות כי מכניקת הקוונטים סותרת את המובן הפשוט של עקרון המקומיות. עקרון המקומיות במובן זה הוא ההנחה שמדידה הנערכת במקום אחד במרחב, לא יכולה להשפיע באופן מיידי על תוצאת מדידה הנערכת במקום אחר במרחב.

אלן אספה הוא פיזיקאי העוסק בתורת הקוונטים, חתן פרס וולף בפיזיקה לשנת 2010. ידוע בעיקר בשל ניסויים שערך בשנת 1981. תוצאות הניסוי היוו אישוש למשפט בל ולתורת הקוונטים ושללו את טענתם של אלברט איינשטיין, בוריס פודולסקי ונתן רוזן לפיה תורת הקוונטים אינה שלמה ויש להחליפה בתאוריות משתנים חבויים לוקליים.תאריך לידה: 15 ביוני 1947 (גיל 75 שנים), אז'ן, צרפת. פרסים: פרס הולווק (1991), פרס וולף בפיזיקה (2010), מדליית אלברט איינשטיין (2012), עמית החברה המלכותית (2015);

ג'ון פ' קלאוזר (John Clauser). מנימוקי ועדת פרס וולף: "על ההישגים הקונספטואלים והעבודה הניסויית שתרמו ליסודות הפיסיקה הקוונטית, ובמיוחד על ניסויים שהלכו והשתכללו בבחינת הנכונות של אי-שוויונות בֶל או הרחבותיהם תוך כדי ניצול של מצבים קוונטים שזורים." התכונות המוזרות של מצבים קוונטים שזורים, אשר צוינו לראשונה על ידי אינשטיין, פודולסקי ורוזן שחשדו שהמכניקה הקוונטית אינה תיאוריה מושלמת, הותוו לראשונה באופן דרמטי בעבודה החשובה של ג'ון בֶל. בֶל הראה שקורלציות סטטיסטיות מסוימות בין תכונות של שני חלקיקים מרוחקים זה מזה שיוצרו במצב שזור, אינן ניתנות להסבר על ידי תיאוריה המתבססת על מצבים דטרמיניסטיים מקומיים אפילו אם קיימות תכונות נוספות בלתי מדידות (´משתנים סמויים´). סדרת הניסויים עם פוטונים שזורים, שפרס זה מייחד, התחילה בעבודה של ג'ון קלאוזר (נולד 1942, ארה'ב) ושותפיו, שהראו איך ליישם את אי- שוויונות בֶל לניסיון מעשי מסוים, אשר בו מוצרו שני פוטונים שזורים ונמדדו קורלציות בין תכונותיהם על ידי שני גלאים מרוחקים זה מזה. ניסיון פורץ דרך זה הוכיח התאמה עם הצפי של המכניקה הקוונטית וביטל את האפשרות של מצבים דטרמיניסטים מקומיים. היות ועדיין היה ניתן לפרש את תוצאות הניסוי כנובעות מתוך מצבים קלאסיים מַקרוסקופיים שהיו קיימים לפני שנוצרו הפוטונים השזורים, ערכו אלן אספה (נולד 1947, צרפת) ושותפיו ניסויים נוספים. בהתחלה נמדד מספר גדול יותר של קורלציות בניסוי בודד, ובכך גדל דיוק המדידה. בהמשך, בניסוי נוסף, תכונות הגלאים (כיוון הקיטוב של המקטבים שהוצבו לפני הגלאים) נקבעו רק לאחר שנוצרו זוגות הפוטונים השזורים, בזמן שאלה היו בדרכם אל עבר הגלאים. גם בניסוי זה הופרה אי-שוויונות בֶל, כצפוי, על ידי המכניקה הקוונטית".

אנטון ציילינגר (נולד 1945, אוסטריה) (Anton Zeilinger) ושותפיו הוסיפו עוד גורם. בניסוי אחד הוסיפו גורם אקראי לקביעת תכונות הגלאים. בנוסף, בהמשך להצעה תיאורטית של גרינברגר, הורן וציילינגר, בוצע ניסוי נוסף עם שלושה חלקיקים שזורים (במקום שני חלקיקים שזורים) שהראה, אפילו בצורה חד-משמעית יותר, את הסתירה בין החיזוי של המכניקה הקוונטית ובין זה של מצבים דטרמיניסטיים מקומיים.

אלן אספה (Alain Aspect)

אוניברסיטת פריז-סאקלה וכן אקול פוליטכניק, פאליזו, צרפת

ג'ון פ' קלאוזר (John Clauser)

J.F. Clauser & Assoc., Walnut Creek, קליפורניה, ארה"ב

אנטון ציילינגר (Anton Zeilinger),

אוניברסיטת וינה, אוסטריה

מצבים שזורים – מתיאוריה לטכנולוגיה

כל אחד משלושת חתני פרס הנובל לפיזיקה לשנת 2022 ביצע ניסויים פורצי דרך תוך שימוש במצבים קוונטיים שזורים, שבמסגרתם שני חלקיקים מתנהגים כאילו הם יחידה אחת אפילו כאשר הם מופרדים ומרוחקים זה מזה. הממצאים שלהם סללו את הדרך לפיתוח טכנולוגיות חדשניות המבוססות על מידע קוונטי.

ההשלכות הבלתי יתוארו של מכאניקת הקוונטים מתחילות להגיע ליישומים טכנולוגיים. כיום מתקיים תחום מחקר נרחב הכולל בתוכו מחשבים קוונטיים, רשתות קוונטיות ותקשורת קוונטית מוצפנת ומאובטחת. יסוד מפתח בכל ההתפתחות הזו הוא התשובה לשאלה כיצד מכאניקת הקוונטים מאפשרת לשני חלקיקים או יותר להתקיים במה שמכונה 'מצב שזור'. מה שקורה לאחד מהחלקיקים בצמד השזור קובע מה שקורה לחלקיק השני, אפילו אם הם רחוקים זה מזה. 

לאורך זמן רב, השאלה הייתה האם המתאם ביניהם נובע מכך שהחלקיקים בצמד השזור כוללים משתנים סמויים, מעין 'הוראות' המכוונות אותם לתוצאה הנדרשת בניסוי. בשנות השישים של המאה הקודמת, ג'ון סטיוארט בל (John Stewart Bell) פיתח את אי-השיויון המתמטי (mathematical inequality) הקרוי על שמו. משפו זה קובע כי: "אם מתקיימים משתנים סמויים, המתאם בין התוצאות של מספר גדול של ניסויים לעולם לא יחרוג מערך מוגדר". אולם, מכאניקת הקוונטים חוזה כי ניסוי מסוים יוכל להפריך את משפט בל, כלומר – ייתכן מתאם חזק יותר מהחזוי. 

ג'ון פ' קלאוזר (John Clauser) פיתח את הרעיונות של בל שהובילו לניסוי מעשי. כאשר הוא ניתח את תוצאות הניסויים, הן תמכו במכאניקת הקווטנים תוך הפרה ברורה של משפו בל. ממצא זה קובע כי לא ניתן להחליף את מכאניקת הקוונטים בתיאוריה העושה שימוש במשתנים סמויים.

מספר פרצות עדיין נותרו לאחר הניסוי של קלאוזר. אלן אספה (Alain Aspect) פיתח מערכת ניסויים חדשנית שמנעה את הפרצות הללו. הוא הצליח לשנות את נתוני המדידה לאחר שצמד שזור עזב כבר את המקור שלו, כך שהנתונים המקוריים במערכת כבר לא יכלו להשפיע על התוצאה של הניסוי.

תוך שימוש באמצעים מתקדמים יותר וסדרה ארוכה של ניסויים, אנטון ציילינגר (Anton Zeilinger) החל לחקור מצבים קוונטיים שזורים. בין שאר הדברים, קבוצת המחקר שלו הדגימה תופעה קוונטית הקרויה בשם 'הִתְעַתְּקוּת קוונטית' (quantum teleportation), המאפשרת להעביר את המצב הקוונטי של חלקיק אחד לחלקיק אחר הנמצא במקום אחר.

"התברר יותר ויותר כי מגיח לו סוג חדש לחלוטין של טכנולוגיה קוונטית. אנו יכולים לראות כי מחקרם של חתני פרס הנובל לפיזיקה לשנה זו בתחום של מצבים שזורים הוא בעל חשיבות כבירה, אפילו מעבר לשאלות היסוד באשר לפרשנות של מכאניקת הקוונטים", אומר Anders Irbäck, יו"ר ועדת הנובל לפיזיקה.

כיצד הפכה השזירה הקוונטית לכלי עוצמתי

תוך שימוש בניסויים פורצי דרך, אלן אספה (Alain Aspect), ג'ון פ' קלאוזר (John Clauser) וכן אנטון ציילינגר (Anton Zeilinger) הדגימו את הפוטנציאל לחקור ולשלוט בחלקיקים הנמצאים במצבים שזורים. מה שקורה לחלקיק אחד המהווה חלק מצמד שזור קובע מה שקורה לחלקיק השני בצמד, אפילו אם הם רחוקים אחד מהשני. פיתוח כלי הניסויים של שלושת חתני פרס הנובל לפיזיקה לשנת 2022 הניח את הבסיס לעידן חדש של טכנולוגיה קוונטית.

היסודות של מכאניקת הקוונטים אינם רק בגדר תיאוריה או הגות. מחקר ופיתוח נמרצים משמשים כיום במסלול ישיר לשם השגת שימוש בתכונות המיוחדות של מערכת הכוללת חלקיקים נבדלים על מנת לפתח מחשבים קוונטיים, לשפר מדידות, לבנות רשתות קוונטיות ולפתח תקשורת קוונטית מאובטחת ומוצפנת.

יישומים רבים מתבססים על השאלה כיצד מכאניקת הקוונטים מאפשרת לשני חלקיקים, או יותר, להתקיים במצב משותף, ללא תלות במרחק שביניהם. תופעה זו קרויה בשם 'שזירה' (entanglement), והיא הייתה אחד מהנושאים השנויים במחלוקת ביותר בתחום מכאניקת הקוונטים מאז ניסוחה של תיאוריה זו. אלברט אינשטיין דיבר על "פעילות מוזרה" במרחקים וארווין שרדינגר קבע כי זו הסגולה החשובה ביותר בתחום מכאניקת הקוונטים.

זוכי פרס הנובל לשנה זו חקרו את המצבים הקוונטיים השזורים הללו, והניסויים שלהם הניחו את היסודות למהפכה המדעית המתרחשת בימינו בתחום הטכנולוגיה הקוונטית.

ממש לא ניסוי יומיומי

כאשר שני חלקיקים נמצאים במצבים שזורים, מי שמודד את התכונה של אחד מהחלקיקים יכול לקבוע באופן מידי את התוצאה של מדידה מקבילה של החלקיק השני, זאת מבלי לערוך את הניסוי הלכה למעשה. במבט ראשון, הדבר לא נראה כה מוזר. אם נחשוב על כדורים במקום על חלקיקים, נוכל לדמיין ניסוי שבו כדור שחור מופנה לכיוון אחד וכדור לבן לכיון ההפוך. צופה אשר תופס כדור ורואה כי הוא בצבע לבן, יכול באופן מידי לומר כי הכדור שפנה בכיוון השני הוא בוודאות בצבע שחור.  

מה שהופך את מכאניקת הקוונטים לכה מיוחדת, היא העובדה כי המקבילות לכדורים הם חסרי מצבים מדידים, עד רגע המדידה עצמה. זה כאילו שני הכדורים הם בצבע אפור, ממש עד הרגע שבו מישהו צופה בהם. ברגע זה, כל כדור יכול באופן אקראי להיות בצבע שחור או לבן. הכדור השני יקבל את הצבע ההפוך באותו רגע. אולם, כיצד ניתן לדעת אם הכדורים אכן היו בצבע קבוע בתחילת הניסוי? אפילו אם הם נראו בצבע אפור, אולי היה בתוכם איזושהי הוראה נסתרת שאמרה להם לאיזה צבע הם צריכים להפוך ברגע שמישהו צופה בהם.

האם קיים צבע כאשר אף אחד לא צופה?

ניתן להשוות צמדים שזורים במכאניקת הקוונטים למכונה המטילה כדורים בצבעים הפוכים לכיוונים הפוכים. כאשר בוב תופס כדור ומזהה שהוא שחור, הוא מיד יודע שאליס תפסה כדור לבן. בתיאוריה שבה נעשה שימוש במשתנים סמויים, הכדורים תמיד הכילו מידע סמוי באשר לצבע שבו הם יופיעו. אולם, מכאניקת הקוונטים טוענת כי שני הכדורים היו אפורים עד אשר מישהו צפה בהם, כאשר אחד נהפך באופן אקראי ללבן, והשני לשחור. אי-השיויון של בל טוען כי קיימים ניסויים שיוכלו להבדיל בין מקרים אלו. ניסויים שכאלו הוכיחו כי מכאניקת הקוונטים נכונה.

חלק חשוב של המחקר עליו ניתן פרס הנובל לפיזיקה לשנה זו הוא תובנה תיאורטית הקרויה בשם 'אי-השיויון של בל' (Bell inequalities). משפט זה מאפשר להבדיל בין עיקרון אי-הודאות של מכאניקת הקוונטים לבין תיאור חלופי תוך שימוש בהוראות סודיות, או משתנים סמויים. ניסויים הוכיחו כי הטבע מתנהג כפי שחזוי על פי מכאניקת הקוונטים. הכדורים הם בצבע אפור, ללא כל מידע סמוי, ורק אקראיות מוחלטת קובעת מי מהם יהפוך לשחור ומי ללבן.    

המשאב החשוב ביותר של מכאניקת הקוונטים

במצבים קוונטים שזורים אצורה היכולת לפיתוח דרכים חדשות לאחסון, העברה ועיבוד מידע. דברים מענינים מתרחשים כאשר החלקיקים של צמד שזור נעים בכיוונים שונים ואז אחד מהם פוגש חלקיק שלישי שאיתו הוא יוצר צמד שזור. בשלב זה הם נכנסים למצב משותף חדש. החלקיק השלישי מאבד את הזהות שלו, אולם התכונות המקוריות שלו הועברו כעת לחלקיק הראשון מהצמד המקורי. דרך זו להעברת מצב קוונטי בלתי ידוע מחלקיק אחד לחלקיק אחר קרטיה בשם הִתְעַתְּקוּת (teleportation). סוג ניסוי כזה בוצע לראשונה בשנת 1997 על ידי אנטון ציילינגר ועמיתיו.

באופן יוצא דופן, התעתקות קוונטית היא הדרך היחידה להעברת מידע קוונטי ממערכת אחת לשנייה מבלי לאבד חלק כלשהו ממנה. ממש בלתי אפשרי למדוד את כל התכונות של מערכת קוונטית ואז להעביר את המידע לגורם מקבל אשר מעוניין לשחזר את המערכת המקורית. הסיבה לכך טמונה בעובדה כי מערכת קוונטית מסוגלת להכיל מספר גרסאות של כל אחת מהתכונות בו-זמנית, כאשר כל גרסה היא בעלת הסתברות מסוימת להופיע במהלך המדידה.

ברגע שהמדידה מתבצעת, רק אחת מהגרסאות האפשריות נותרת, לאמור – זו שנקלטה במכשיר המדידה. הגרסאות האחרות נעלמו, ולא ניתן לעולם לדעת דבר אודותיהן. אולם, ניתן להעביר תכונות קוונטיות בלתי ידועות לחלוטין תוך שימוש בהתעתקות קוונטית מבלי לשנות את החלקיק האחר, אולם במחיר היעלמותן של תכונות אלו בחלקיק המקורי.

מרגע שתופעה זו הוכחה בניסויים, השלב הבא היה להשתמש בשני צמדים של חלקיקים שזורים. אם מקרבים חלקיק אחד מכל אחד מהצמדים בדרך מסוימת, החלקיקים שלא הוזזו בכל אחד מהצמדים יכולים להפוך לשזורים, זאת למרות שמעולם הם לא היו במגע כלשהו אחד עם השני. החלפת שזירה זו הודגמה לראשונה בשנת 1998 על ידי קבוצת המחקר של אנטון ציילינגר.

צמדים שזורים של פוטונים, חלקיקי אור, יכולים להישלח לכיוונים הפוכים דרך סיבים אופטיים ולשמש בתור אותות ברשתות קוונטיות. שזירה של שני צמדים יכולה לאפשר הגדלה של המרחק בין הצמתים של רשת כזו. אומנם קיים גבול למרחק שדרכו פוטונים יכולים לעבור דרך סיב אופטי לפני שהם דועכים או מאבדים את התכונות שלהם. אומנם ניתן להגביר אותות אור רגילים לאורך המסלול, אולם הגברה זו אינה אפשרית כאשר משתמשים בצמדים שזורים. לשם כך יש להשתמש במגבר הלוכד ומודד את האור, אולם שימוש במגבר מפרק את השזירה הקוונטית. יחד עם זאת, החלפת שזירה משמעותה שיהיה אפשר לשלוח את המצב המקורי הלאה, תוך כדי העברתו למרחקים גדולים יותר מאשר אי פעם.

חלקיקים שזורים שלעולם לא ייפגשו

שני צמדים של חלקיקים שזורים נפלטים ממקורות שונים. חלקיק אחד מכל אחד מהצמדים מתקרב לחלקיק השני בדרך מיוחדת המאפשרת שזירה שלהם. שני החלקיקים הנותרים נשזרים גם הם בשלב זה. בדרך זו, שני חלקיקים שמעולם לא נפגשו או היו במגע זה עם זה הופכים לצמד שזור.

מפרדוקס לאי-שיויון

התקדמות מדעית זו מתבססת על שנים רבות של פיתוחים. זה החל מהתובנה מדהימת המוח כי מכאניקת הקוונטים מאפשרת למערכת קוונטית יחידה להתפצל לחלקים נפרדים שעדיין יתפקדו כיחידה אחת. תובנה זו סותרת את כל הרעיונות המדעיים שקיבלנו באשר לסיבה ותוצאה ואופי המציאות. כיצד משהו יכול להיות מושפע מאירוע המתרחש במקום אחר מבלי שהגיע ממנו סוג כלשהו של אות? אות לא יכול לנוע מהר יותר מאור – אולם במכאניקת הקוונטים לא נראה שצריך כל אות על מנת לחבר בין החלקים השונים של המערכת המורחבת. אלברט איינשטיין החשיב תופעה כזו כבלתי אפשרית ובדק את היתכנותה, יחד עם עמיתיו בוריס פודולסקי (Boris Podolsky) ונתן רוזן (Nathan Rosen). הם הציגו את השערתם בשנת 1935: "מכאניקת הקוונטים אינה מספקת תיאור מושלם של המציאות". קביעה זו הפכה להיות פרדוקס EPR, על שם שמות משפחותיהם של שלושת החוקרים. השאלה הייתה האם יכול להיות תיאור מושלם יותר של העולם, כאשר מכאניקת הקוונטים היא רק חלק אחד ממנו. מצב זה יוכל, למשל, לתפקד כאשר חלקיקים אוצרים בתוכם תמיד מידע סמוי באשר להתנהגותם בסיומו של ניסוי. כל הניסויים שלאחר מכן הראו כי התכונות מתקיימות בדיוק במקום בו נערכות המדידות. סוג זה מידע לעיתים מכונה בשם 'משתנים סמויים מקומיים' (local hidden variables). הפיזיקאי מצפון אירלנד ג'ון סטיוארט בל (John Stewart Bell) [1928–1990], אשר עבד במאיץ החלקיקים CERN, התמקד בבעיה זו ביתר שאת. הוא גילה כי קיים סוג של ניסוי שיוכל לקבוע אם העולם מבוסס על מכאניקת הקוונטים במלואו, או האם ייתכן תיאור נוסף המכיל משתנים סמויים. אם חוזרים על הניסוי שלו פעמים רבות, כל התיאוריות שאמורות היו להכיל משתנים סמויים הציגו מתאם בין התוצאות שהיו חייבות להיות נמוכות, או לכל היותר שוות, לערך מסוים. תיאוריה זו מנוסחת בצורה של נוסחה מתמטית הקרויה בשם אי-השיויון של בל. אולם, מכאניקת הקוונטים יכולה להפר את הנוסחה הזו. היא חוזה ערכים גבוהים יותר עבור המתאם שבין התוצאות מאשר אפשרי במערכות המכילות משתנים סמויים.

ג'ון פ' קלאוזר (John Clauser) הסתקרן מהיסודות של מכאניקת הקוונטים בהיותו סטודנט בשנות השישים. הוא לא יכול היה להשתחרר מהרעיונות של בל מהרגע שהוא קרא עליהם, ובסופו של דבר, הוא ושלושה חוקרים אחרים הצליחו להציג הצעה לסוג מעשי של ניסוי שיוכל לשמש על מנת לבחון את התיאוריה של בל.

הניסוי כלל שליחת צמד של חלקיקים שזורים בכיוונים הפוכים. הלכה למעשה, נעשה שימוש בפוטונים בעלי תכונה הקרויה בשם קיטוב. כאשר החלקיקים נפלטים כיוון הקיטוב בלתי נקבע, וכל מה שבטוח הוא שלחלקיקים יש קיטוב מקביל. זאת ניתן לבחון תוך שימוש במסנן המאפשר מעבר של חלקיקים בעלי קיטוב מסויים. זהו התוצא שבו נעשה שימוש במשקפי שמש, החוסמים קרני אור שעברו קיטוב במישור מסוים.

אם שני החלקיקים בניסוי נשלחים לכיוון מסננים הממוקמים באותו מישור, כגון במישור האופקי, ואחד מהם מצליח לעבור דרכו, אזי גם השני יעבור. אם הם ממוקמים בזויות שונות אחד כלפי השני, אזי אחד יבלם בעוד שהשני יוכל לעבור. הרעיון הוא למדוד עם מערכת המסננים בכיוונים שונים, ולקבל קביעה חד משמעית בזכות הממצאים: במקרים מסוימים שני החלקיקים יעברו, לעיתים רק אחד מהם ולעיתים אף אחד מהם. מספר הפעמים שבהם שני החלקיקים עוברים את המסנן תלוי בזויות שבין המסננים.

מכאניקת הקוונטים קובעת כי יתקיים מתאם בין המדידות. ההסתברות כי חלקיק אחד יצליח לעבור תלויה בזוית של המסנן שבודק את הקיטוב של החלקיק השני בצד ההפוך של מערכת המדידה. כלומר, התוצאות של שתי המדידות, בזויות מסוימות, מפרות את אי-השיויון של בל ובעלות מתאם חזק יותר מזה אשר היה אמור להתקבל אם התוצאות היו מתבססות על משתנים סמויים שנקבעו מראש עוד לפני פליטת החלקיקים.

הפרה של אי-השיויון

ג'ון פ' קלאוזר החל מידית לעבוד על עריכת ניסוי זה. הוא בנה מכשיר הפולט שני פוטונים שזורים בו זמנית, כאשר כל אחד מהם מנותב לעבר מסנן הבודק את הקיטוב שלהם. בשנת 1972, ביחד עם סטודנט הדוקטוראט שלו סטיוארט פרידמן, הוא הצליח להראות תוצאה שהיוותה הפרה ברורה של אי-השיויון של בל תוך הסכמה עם התחזיות של מכאניקת הקוונטים. בשנים שלאחר מכן, ג'ון פ' קלאוזר ופיזיקאים אחרים המשיכו לדון בממצאי הניסוי והמגבלות שלו. אחת המגבלות הייתה שהניסוי היה באופן כללי בלתי יעיל, גם באשר לייצור וגם באשר ללכידת החלקיקים. המדידה הייתה גם קבועה מראש לאור העובדה כי המסננים מוקמו בזויות קבועות. כלומר, בניסוי זו היו מספר פרצות טכניות, כאשר הצופה יכול לפקפק בתוצאות: האם יתכן שמערכת המדידה עצמה, בדרך כלשהי, בחרה בחלקיקים שמראש היו בעלי מתאם חזק, ולא מדדה אחרים? אם כן, החלקיקים עדיין יכלו לאצור בתוכם מידע סמוי. הסרת הפרצות המסוימות הללו הייתה מאתגרת, זאת לאור העובדה כי מצבים קוונטיים שזורים אינם יציבים וקשים לשליטה; יש צורך לטפל בפוטונים פרטניים. הסטודנט הצרפתי בקבוצת המחקר אלן אספה לא היה מפוחד מכך, ובנה גרסה חדשה של מערכת המדידה תוך הכנסת שינויים ושיפורים. במסגרת הניסוי שלו, הוא יכול היה למדוד את הפוטונים שעברו דרך המסנן ואת אלו שלא עברו. משמעות הדבר, שיותר פוטונים נמדדו ושהמדידה עצמה הייתה מדויקת יותר.

בגרסה האחרונה של מערכת המדידה, הוא יכול היה גם להכווין פוטונים לעבר שני מסננים שמוקמו בזויות שונות. הרעיון החדשני היה היכולת להחליף את כיוון תנועתם של הפוטונים השזורים אחר ייצורם ופליטתם מהמקור. המסננים מוקמו במרחק של שישה מטרים זה מזה, כך ששלב החלפת הכיוונים נדרש להתרחש תוך מספר מיליארדיות השנייה. אם מידע באשר לזהות המסנן שאליו יגיע הפוטון נקבעה כבר ברגע היציאה של הפוטון מהמקור, אזי במערכת הזו הפוטון הזה לא יגיע למסנן זה. בנוסף, גם לא יכול מידע באשר למסנן הנמצא בצד אחד להגיע לצד השני ולהשפיע על התוצאות של המדידה שם. בדרך זו, אלן אספה סגר פרצה שחובה וסיפק תוצאה ברורה לחלוטין: מכאניקת הקוונטים נכונה ולא קיימים כל משתנים סמויים.  

העידן של מידע קוונטי

ניסויים אלו ודומים להם הניחו את היסודות למחקר הנמרץ כיום בתחום המדעי של מידע קוונטי. היכולת לשלוט ולשנות מצבים קוונטיים, וכתוצאה מכך לשנות את התכונות שלהם, מאפשרות לנו גישה לכלים בעלי יכולת יוצאת דופן. זהו הבסיס למחשוב קוונטי, העברה ואחסון של מידע קוונטי וכן פיתוח של אלגוריתמים להצפנה קוונטית. מערכות עם יותר משני חלקיקים, שכולם שזורים, משמשות כיום, אותן מערכות שאנטון ציילינגר ועמיתיו היו הראשונים לחקור.

3 תגובות

  1. יגאל
    מה שאמרת לנכון, אבל לא מדוייק. משפט בל מחייב אי-תלות סטטיסטית. אם יש לנו "בחירה חופשית" אז תנאי המשפט הם כמו שאמרת.
    אבל – אם העולם דטרמיניסטי, אז תנאי המשפט לא מתקיימים.

  2. לשי:

    בל הציע אי שוויון, שחייב להתקיים בכל תאוריה בה יש 'משתנים חבויים'.

    לכן, ביצוע ניסוי והפרכת אי השוויון מלמדת שכל תאוריה המכילה משתנים חבויים אינה נכונה.

    לכן, כאשר ביצעו החוקרים את הניסוי והפריכו את אי השוויון של בל – הם איששו את תורת הקוונטים, הגורסת שאין משתנים חבויים.

  3. לא ברור מהכתבה האם החוקרים הוכיחו או הפריכו את תאוריית בל. נראה שיש שתי אמירות סותרות.

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר. שדות החובה מסומנים *

דילוג לתוכן