גילה את האור ומקדם את הדרך למיחשוב קוונטי, תקשורת קוונטית ואולי אף טלפורטציה (אבל רק של פוטונים)

אחד מזוכי פרס לנדאו של מפעל הפיס השנה הואפרופסור דוד גרשוני מהטכניון, על תרומתו המחקרית ביצירת פוטונים שזורים

לידיעה על כל הזוכים בפרס לנדאו לשנת 2014 בקטגורית מדעים

פרופסור דוד גרשוני, מהפקולטה לפיזיקה בטכניון, יקבל את פרס מפעל הפיס לאמנויות ולמדעים על שם לנדאו לשנת 2014. זאת על תרומתו לפיתוח עתידי של הֶתְקֵן הפולט זוגות של פוטונים שזורים. ועדת הפרס ציינה כי “שיטה זו שונה מהותית מקודמותיה, ויתרונה באפשרות לשכפל התקנים אלה וכך לייצר פוטונים שזורים לפי דרישה. לשיטה זו חשיבות רבה במחקר הניסיוני בתחום של אינפורמציה קוואנטית.”

פרופסור גרשוני, יליד 1953, רכש את השכלתו האקדמית בטכניון. ב-1986 יצא לפוסט-דוקטורט במעבדות בֶּל בניו-ג’רזי, ולאחר כשנה התקבל שם כחבר סגל ועסק במחקר ובפיתוח. ב-1991 חזר לטכניון, הפעם כחבר סגל אקדמי בפקולטה לפיזיקה.
בשנת 2006 הוכיח פרופסור גרשוני את אפשרות יצירתם של פוטונים (חלקיקי אור) שזורים באמצעות מוליך-למחצה. שיזור (entanglement) הוא תופעה שבה שני חלקיקים קוונטיים מתנהגים כתאומים פיזיקליים המקיימים ביניהם קורלציה קוונטית: כאשר מאפייניו של אחד החלקיקים משתנים, משתנים בו זמנית גם מאפייני של החלקיק-התאום, ואי אפשר לתאר את מצבו של האחד בנפרד ממצבו של השני.

בעבודה משותפת עם פרופסור יוסף אברון והדוקטורנטים ניקה אקופיאן ונתנאל לינדנר הוכיח פרופסור גרשוני – באופן תיאורטי וניסויי כאחד – כי בתנאים מתאימים, מוליך-למחצה בעל ממדים ננומטריים עשוי להוות מקור של אור שזור. החוקרים הוכיחו כי אפשר לבנות התקן המבוסס על מקורות אלה, שיאפשר לייצר פוטונים שזורים ‘על פי דרישה’ – צעד משמעותי בדרך לתקשורת קוונטית, מחשוב קוונטי ואולי אף טלפורטציה.

“מעשה כשפים במרחב”
ההיסטוריה של השיזור הקוונטי יסודה במחקר עיוני שערכו אלברט אינשטיין, בוריס פודולסקי ונתן רוזן (רוזן היה ממייסדי הפקולטה לפיזיקה בטכניון). בשנת 1935 פרסמו השלושה את המאמר, המכונה בקיצור EPR – האותיות הראשונות של שמותיהם. במאמר זה באה לידי ביטוי הסתייגותו של אינשטיין מהמכניקה הקוונטית, ה’מרשה’ לכאורה מצב שבו המידע נע במהירות הגבוהה ממהירות האור. אינשטיין האמין כי ‘אפשרות’ זו אינה אלא פיקציה, או כלשונו: “מעשה כשפים במרחב” (spooky action at a distance).

נילס בוהר, אבי המכניקה הקוונטית, טען בתגובה למאמר ה- EPR כי אותה ‘פעולה מרחוק’ דווקא אפשרית, בהיותה מבוססת לא על ‘השפעה מכנית’ אלא על ‘השפעה לוגית’ על התנאים המגדירים את אפשרויות ההתנהגות של המערכת. אינשטיין לא נותר חייב, והגדיר את תגובתו של בוהר כ”פלפול תלמודי”.

בשנת 1962 הראה הפיזיקאי האירי ג’ון בל כי את מחלוקת איינשטיין-בוהר אפשר להכריע באופן ניסויי. ניסויים שנערכו בשנות השבעים והשמונים, בעקבות המודל המתמטי שניסח בל, הוכיחו כי חלקיקים שזורים אכן ניחנים בקורלציות המופלאות שמנבאת המכניקה הקוונטית. המחקר של הפרופסורים גרשוני ואברון, שהתבסס בין השאר על עבודתו התיאורטית של חבר הפקולטה בעבר, פרופסור מחקר אשר פרס ז”ל, היווה פריצת דרך במסלול זה.
“למעשה הראינו כיצד ניתן לפתח התקן ש’יורה’ צמד פוטונים שזורים ברגע הרצוי,” מסביר פרופסור גרשוני. “התגלית הזאת היא צעד חשוב בדרך מהטכנולוגיה הנוכחית (הקלאסית) לטכנולוגיה העתידית (הקוונטית). הטכנולוגיה הנוכחית – לרבות מיחשוב, תקשורת, תאורה, איחסון מידע ועיבוד מידע – מבוססת על מוליכים-למחצה, ולכן התגלית שלנו רלוונטית מאוד לעולם ההיי-טק. אנחנו מפתחים מבנים ננומטרים של מוליכים-למחצה הפועלים למעשה כ’אטומים מלאכותיים’, שאפשר להסביר ולנבא את התנהגותם על סמך המכניקה הקוונטית. אנו מאמינים כי התגלית שלנו תקדם את התחום של עיבוד-מידע קוונטי שיעמוד בבסיס טכנולוגיית העתיד, והמוטיבציה המחקרית שלנו נובעת גם מהתקווה שהטכנולוגיה תצעד בעקבות המחקר, ושבעתיד הלא-רחוק נוכל לראות טכנולוגיה קוונטית אמיתית בשימוש נרחב.”

פרס מפעל הפיס למדעים ולמחקר על שם לנדאו מוענק למדענים שהגיעו להישגים ראויים בתחומם ותרמו תרומה רבת ערך לקידום המדע והמחקר. פרופסור גרשוני יקבל את הפרס בתחום הפיזיקה, על פי החלטת ועדת השיפוט, שבה חברים הפרופסורים דן שחר, שמואל פישמן ואורה וולמן. הזוכים בקטגוריות האחרות הם פרופסור דנה וולף (בתחום הווירולוגיה) ופרופסור הווארד ליטווין (מדעי הזיקנה), שניהם מהאוניברסיטה העברית, פרופסור אלישע קימרון (חקר הלשון העברית), פרופסור אמיר שגיא (חקלאות) שניהם מאוניברסיטת בן גוריון,  ופרופסור דניאל חנוך וגנר (הנדסה כימית והנדסת חומרים).