האם נמצאה הדרך לפיתוחה של חרב-האור של אבירי הג’די והסית’?

מדענים מאוניברסיטת הרווארד ומהמכון הטכנולוגי של מסצ’וסטס רואים את האור בעיניים חדשות

מדענים מאוניברסיטת הרווארד ומהמכון הטכנולוגי של מסצ’וסטס (MIT) קוראים תיגר על מושג האור כפי שידוע למדענים כיום, והם עושים זאת מבלי להרחיק עד לגלקסיות רחוקות עד מאוד.

קבוצת מדענים בראשות הפרופסור לפיזיקה מאוניברסיטת הרווארד Mikhail Lukin והפרופסור לפיזיקה מהמכון הטכנולוגי של מסצ’וסטס Vladan Vuletic הצליחה לאלץ פוטונים לחבור יחדיו ליצירת מולקולות – מנגנון שעד לאחרונה היה קיים בתיאוריה בלבד. ממצאי המחקר מתוארים במאמר שפורסם בכתב-העת המדעי היוקרתי Nature.

התגלית, מסביר החוקר הראשי, סותרת עשורים של ידע מקובל באשר לטיבו של האור. פוטונים מתוארים בתור חלקיקים חסרי מסה שאינם מגיבים אחד עם השני, לדוגמה – אם מקרינים שתי אלומות של לייזר אחת אל מול השנייה, הן פשוט עוברות אחת דרך השנייה. אולם, “מולקולות פוטוניות” (“Photonic molecules”), מתנהגות פחות כלייזרים רגילים ויותר כפריט המוכר מסרטי מד”ב, בעיקר מלחמת הכוכבים, חרב אור (Lightsaber) [כלי נשק בדיוני בעולם מלחמת הכוכבים. זהו הנשק המסורתי של אבירי הג’די והסית’. חרב-אור זוהי חרב שהלהב שלה עשוי מאנרגיית אור המופקת מגביש, ויכולה לחתוך דרך כל חומר אחר].

באותו נושא באתר הידען

• דיונת חול תוניסאית מאיימת על טאטואין
• הפנטזיה של רייגן
• ממדע בדיוני למדע אמיתי
• חרב האור של ליוק סקייווקר הגיעה בשלום

“רוב התכונות של האור, כפי שאנו מכירים אותן, מקורן בעובדה כי פוטונים הם חלקיקים חסרי מסה שאינם מגיבים אחד עם השני,” מסביר החוקר הראשי. “מה שאנחנו עשינו היה ליצור סוג מיוחד של תווך שבו הפוטונים מגיבים אחד עם השני בעוצמה כה גדולה כאילו שהם בעלי מסה, וכתוצאה מכך הם חוברים יחדיו ליצירת מולקולות. סוג זה של מצב פוטוני היה נושא לדיונים תיאורטיים מזה זמן רב, אולם לא היו כל ראיות לקיומו עד כה. “זה לא ממש זהה לחרב אור,” מסביר החוקר הראשי. “כאשר פוטונים אלו מגיבים אחד עם השני, הם נדחקים זה מול זה וגורמים לסטייתם ההדדית. הפיזיקה שמאחורי המנגנון הזה דומה למה שאנו רואים בסרטי מד”ב.”

על מנת לגרום לכך כי הפוטונים חסרי-המסה יחברו אחד עם השני החוקרים לא יכלו להשתמש ב”כוח” הבדיוני – במקום זאת הם השתמשו בתנאים הרבה יותר קיצוניים. החוקרים החלו את הניסוי שלהם ע”י הזרמת אטומי רובידיום לתוך תא ואקום ואז השתמשו באלומות לייזר על מנת לקרר את “ענן” האטומים למספר מעלות אחדות מעל האפס המוחלט. לאחר מכן, באמצעות אלומות לייזר חלשות במיוחד, הם הזרימו פוטונים פרטניים לתוך ענן האטומים. ברגע שהפוטונים חודרים לתוך הענן של האטומים הקרים האנרגיה שלהם מעוררת את האטומים הנמצאים בנתיבם, תוך האטה דרמטית של מהירות הפוטונים עצמם. כאשר הפוטון עובר דרך הענן, אנרגיה זו מועברת מאטום לאטום, ובסופו של דבר נפלטת מהענן עם הפוטון היוצא.

“כאשר הפוטון יוצא מהתווך המיוחד הזה, הזהות שלו עדיין נשמרת,” מסביר החוקר הראשי. “זה כמו המנגנון שאנו רואים כאשר אור משתבר דרך כוס מים – האור חודר דרך המים, מעביר חלק מהאנרגיה שלו לתווך ובתוך התווך הוא מתקיים בתור אור וחומר המשולבים יחדיו. אולם, כאשר אור זה נפלט, הוא עדיין יוצא בתור אור. התהליך המתרחש הוא זהה, אולם הוא מתקיים בתנאים קצת יותר קיצוניים – האור מואט במידה ניכרת ומתרחש מעבר הרבה יותר כביר של אנרגיה מאשר תהליך ההשתברות של קרני האור במים.” כאשר החוקרים הקרינו שני פוטונים לתוך ענן האטומים הם הופתעו לגלות שהם יוצאים יחדיו בתור מולקולה יחידה.

ההסבר של החוקרים לתופעה זו טמון במושג הקוונטי הקרוי “מחסום רידברג” (Rydberg blockade) [ראו גם הפקה יעילה של פוטונים נפרדים למחשוב קוונטי], הקובע כי כאשר אטום מעורר אנרגטית, אטומים הסמוכים אליו לא יוכלו להיות מעוררים לאותה רמה אנרגטית. באופן מעשי המשמעות היא שכאשר שני פוטונים חודרים לתוך ענן האטומים, הראשון מביניהם מעורר אטום, אולם פוטון זה חייב להתקדם לפני שהשני יהיה מסוגל לעורר את האטומים הסמוכים לו. התוצאה, מסביר החוקר הראשי, היא ששני הפוטונים דוחפים ומושכים אחד את השני דרך ענן האטומים בעוד שהאנרגיה שלהם מועברת מאטום אחד למשנהו. “אלו הם יחסי גומלין פוטוניים המתווכים ע”י יחסי גומלין אטומיים,” מסביר החוקר הראשי. “תופעה זו גורמת לשני הפוטונים להתנהג בדומה למולקולה, וכאשר הם נפלטים מהתווך יותר סביר שהם ייצאו יחדיו מאשר כל אחד בתורו.”

על אף העובדה כי התופעה הזו היא בלתי רגילה, עדיין ייתכנו יישומים מעשיים שלה. “אנו עושים זאת בשביל הכיף, וגם בכדי להרחיב את גבולות המדע,” אומר החוקר הראשי. “אולם זה עדיין נעשה במסגרת המחקר הכולל של פוטונים הגורס כי פוטונים עדיין נותרו האמצעים הטובים ביותר האפשריים להעברת מידע קוונטי. המכשלה, עד כה, הייתה טמונה בכך שפוטונים אינם מגיבים אחד עם השני.”

על מנת לבנות מחשב קוונטי, מציין החוקר הראשי, החוקרים יצטרכו לבנות מערכת שתוכל לשמר את המידע הקוונטי ועדיין לעבד אותו באמצעות פעולות לוגיות קוונטיות. האתגר, יחד עם זאת, טמון בעובדה כי לוגיקה קוונטית מחייבת יחסי גומלין בין מנות בדידות של קוונטים כך שמערכות קוונטיות תוכלנה להיות ממותגות על מנת לבצע עיבוד מידע. “מה שאנו הדגמנו בניסוי שלנו מאפשר לנו לעשות בדיוק זאת,” מסביר החוקר הראשי. “לפני שנצליח לפתח מתג או שער לוגי קוונטי יעיל ומעשי, עלינו לשפר את הביצועים של המערכת שלנו; הרעיון עדיין בחיתוליו, אולם זהו שלב חשוב בדרך הארוכה הזו. העקרונות הפיזיקליים שהדגמנו כאן חשובים ביותר.”

המערכת תוכל להיות שימושית אפילו במחשוב קלאסי, מציין החוקר הראשי, זאת לאור האתגרים הניצבים היום בפני תעשיית השבבים. מספר חברות מחשוב, לרבות IBM, עמלות במטרה לפתח מערכות המתבססות על נתבים אופטיים הממירים אותות אור לאותות חשמליים, אולם למערכות אלו המגבלות שלהן. החוקרים מאמינים כי המערכת שלהם תוכל, ביום מן הימים, אפילו לשמש ליצירת מבנים תלת-ממדיים מורכבים, למשל גבישים, מתוך אור בלבד.

“אנו עדיין לא יודעים מה יהיו השימושים העתידיים, אולם מה שגילינו הוא מצב חדש של חומר, כך שאנו מלאי תקווה כי יישומים חדשים ילכו ויתגלו לנו תוך המשך המחקר של מערכות פוטוניות אלו,” אומר החוקר הראשי. הידיעה על המחקר

להודעה של החוקרים