חוקרים מקלטק הצליחו לשלוט גם בתנועת האטומים וגם באנרגיה הפנימית שלהם – הישג ראשון מסוגו שנקרא "שזירה־על", ועשוי להאיץ את התקדמות טכנולוגיות הקוונטים
פרופ' מנואל אנדרס, פיזיקאי מקלטק, מתמחה בשליטה מדויקת באטומים בודדים בעזרת פינצטות אופטיות – קרני לייזר שממקמות ומזיזות אטומים אחד־אחד. באמצעות מערכים כאלה, הצליחו אנדרס ועמיתיו לפתח שיטות למחיקת שגיאות במכונות קוונטיות פשוטות, ליצור שעונים מדויקים במיוחד, ולשלוט בלמעלה מ־6,000 אטומים נפרדים – שיא עולמי.
במחקר החדש, שפורסם בכתב העת Science, הצליח הצוות לנצל תנועה אטומית – שלרוב נחשבת לרעש מזיק – כדרך לקידוד מידע קוונטי. "אנחנו מראים שתנועה אטומית, שבדרך כלל נחשבת לרעש לא רצוי, יכולה להפוך ליתרון", מסביר אדם שו, מחבר שותף למחקר יחד עם פסקל שול ורן פינקלשטיין.
שו היה סטודנט בקלטק וכיום הוא חוקר פוסט־דוקטורט בסטנפורד. שול עבד כפוסט־דוקטורנט בקלטק וכעת עובד בחברת הקוונטים הצרפתית Pasqal. פינקלשטיין, שהיה עמית על שם טרואש בקלטק, משמש כעת כפרופסור באוניברסיטת תל אביב.
במהלך הניסוי הצליחו החוקרים לקודד מידע קוונטי הן בתנועה של האטומים והן במצבים האלקטרוניים שלהם – מצב הנקרא שזירה־על. בשזירה רגילה, מצבי שני חלקיקים נשארים מקושרים גם כאשר הם מופרדים למרחק רב. בשזירה־על, שני מאפיינים שונים של כל זוג חלקיקים מקושרים – למשל גם התנועה וגם האנרגיה הפנימית.
התוצאה: יותר מידע קוונטי בכל אטום בודד – כלומר יעילות גבוהה יותר. זהו המחקר הראשון שהדגים שזירה־על בחלקיקים בעלי מסה (ולא רק בפוטונים).
בתמונה נוספת נראים אדם שו, איביילו מדיארוב ומנואל אנדרס עובדים על המערכת האופטית במעבדות קלטק.
הניסוי כלל קירור של מערך אטומים נייטרליים ממשפחת הבסיסים בתוך פינצטות אופטיות. בעזרת שיטה ייחודית של "זיהוי ותיקון אקטיבי של תנודות תרמיות", הצליחו החוקרים לקרר את האטומים עד כמעט עצירה מוחלטת.
משם, גרמו להם להתנודד בצורה קוונטית – כמו ילד שמתנדנד בנדנדה כאשר שני ההורים דוחפים אותו משני הכיוונים בו־זמנית. הנדנודים הוכנסו למצב סופרפוזיציה, שבו האטומים נמצאים בשני מצבים תנועתיים בו־זמנית.
לבסוף, שזירה בין אטומים נעים הובילה לשזירה־על שבה גם התנועה וגם רמות האנרגיה הפנימית של האטומים היו מקושרות ביניהם.
"המטרה הייתה לבדוק עד לאן אפשר לדחוף את יכולת השליטה באטומים", אומר אנדרס. "כעת אנחנו יודעים לשלוט גם באלקטרונים וגם בתנועה החיצונית של האטום כולו – כאילו יש לך צעצוע אטומי שאתה שולט בו לגמרי."
לסיכום, החוקרים מציעים שהמצבים התנועתיים של אטומים עשויים לשמש בעתיד כמשאב חשוב בטכנולוגיות קוונטיות – ממחשוב וסימולציות ועד מדידות מדויקות.
עוד בנושא באתר הידען:
