סיקור מקיף

הפוטון השמן ממכון ויצמן בסופרפוזיציה ובפעולת רפאים למרחוק

פיזיקאים ישראלים ממכון ויצמן פרסמו בסיינס כי הם הראשונים לשזור קוונטית פוטונים במה שקרוי מצבי NOON – הסופרפוזיציה של N פוטונים במצב שווה במה שנראה פוטון אחד גדול ושמן בעל N השווה ל-5.

חתולו של שרדינגר. מתוך ויקיפדיה
חתולו של שרדינגר. מתוך ויקיפדיה
פיזיקאים ישראלים ממכון ויצמן הם הראשונים לשזור קוונטית פוטונים במה שקרוי מצבי NOON – הסופרפוזיציה של N פוטונים במצב שווה במה שנראה פוטון אחד גדול ושמן בעל N השווה ל-5. בניגוד למהלכים קודמים ליצירת מצבים אלה, הקבוצה השתמשה בטכניקה פשוטה למדי לשזירת הפוטונים למצב שקרוי high-NOON. המחקר פורסם אתמול במגזין Science.

החתול של שרדינגר הוא כידוע ניסוי הגדנקן המפורסם ביותר בתורת הקוונטים. ניסוי מחשבה זה מעלה קשיים קונספטואליים בפירושים למכניקת הקוונטים. החתול מצוי בסופרפוזיציה של שני מצבים קיצוניים – חי או מת. הצופה אינו יכול לומר איזה מבין המצבים מאפיין את החתול השמן עד אשר מבוצעת מדידה ומכניסה את החתול לאחד ממצבים אלה. "מצבי חתול" רבים קיצוניים אלה מיוצרים במעבדה. הם מונחים בבסיס התחום המתפתח של תורת האינפורמציה הקוונטית. יישומי תורה זו דורשים את השזירה הקוונטית – מאפיין ייחודי למכניקת הקוונטים. הם דורשים גם את השימוש במצבים דמויי חתול, שמורכבים מסופרפוזיציה של מצבים שונים רבים. בתחום זה עוסקים פרופ' ירון זילברברג והסטודנטים שלו הדוקטורנט איתי אפק והמאסטרנט אורון אמבר מהמחלקה לפיסיקה במכון ויצמן. לאחרונה הם ביצעו תגלית מרעישה עליה הם עובדים יותר משנה.

הפוטון השמן יעיל במיקרוסקופיה, מחשבים סופר-מהירים ובליטוגרפיה

ואם כבר מדברים על חתול, שבכלל מורכב מאוסף של חלקיקים או מולקולות רבות, וכולם יחד הן או חיות או מתות… אולי אפשר בכלל ליצור מצב, מעין חלקיק גדול, שהוא למעשה כמה חלקיקים המצויים בשזירה קוונטית? מבחינה תיאורטית, מחשבות על שזירת כמה חלקיקים קוונטיים יכולות לשפוך אור על השאלה המטרידה, מדוע איננו רואים את השזירה הקוונטית בסקאלות מקרוסקופיות? ולגבי פוטונים מדובר ביישומים מעט יותר פראקטיים, תרומה משמעותית לתחום האופטיקה הקוונטית.

אכן תשומת הלב של הקבוצה ממכון ויצמן מתרכזת במצבים שקרויים מצבי NOON, פוטונים רבים, כלומר N פוטונים במצב שווה של סופרפוזיציה. הפוטונים פועלים כישות קולקטיבית, כמו מעין פוטון שמן אחד, כאשר הם רוכשים פאזה בקצב הרבה יותר מהר מאשר פוטון בודד בעל אותו אורך גל. ניתן באמצעות מצבי ה-NOON להגיע לגבול הדיוק הקוונטי היסודי של המדידה.

מצבי NOON יכולים להיות שימושיים במיקרוסקופיה. למשל מיקרוסקופים לשימושים ביולוגיים שהם רגישים מאוד לאור. מצבי NOON יכולים להעניק את הרזולוציה הדרושה באמצעות פוטונים בודדים בניגוד לאור הקונבנציונאלי. גבול העקיפה עבור מצבי NOON הוא פי 1/N מזה של האור הקונבנציונאלי. פירושו של דבר שמצבי NOON יכולים לשפר את המיקרוסקופיים האופטיים ואת הליטוגרפיה. במצבים כאלה ניתן להשתמש כדי להגיע לרזולוציה מדהימה בכל הקשור לליטוגרפיה קוונטית – פוטוליטוגרפיה, שעושה שימוש בתכונות הקוונטיות של הפוטונים (שזירה קוונטית) כדי להגיע לאפקט טוב יותר מאשר הליטוגרפיה הרגילה. הליטוגרפיה הקוונטית היא תחום חדש. המהלך יחרוט עם פוטונים רכיבים במקום השימוש במסכה.

שימוש נוסף במצבי NOON הוא במטרולוגיה קוונטית, המחקר של ביצוע מדידות של פרמטרים פיזיקאליים ברזולוציה וברגישות גבוהה בעזרת תורת הקוונטים, תוך ניצול השזירה הקוונטית, לתיאור מערכות פיזיקאליות. מצבי NOON יכולים לשמש כדי לשפר את הדיוק בטווח רחב של מדידות. אם משתמשים באינטרפרומטר והאור מצטרף מחדש במכשיר, אי הודאות במדידה היא 1/N כתוצאה לעומת 1/N1/2 בשימוש בפולסים של פוטונים קונבנציונאליים. לכן היתרון במצבי NOON הוא שלעומת האור הקונבנציונאלי, המדידה הקוונטית משפרת את הודאות. וזאת ככל שמספר הפוטונים במצבי ה-NOON עולה. המטרולוגיה הקוונטית שואפת אכן לפתח טכניקות מדידה כדי לספק דיוק טוב יותר מאשר הטכניקות הקלאסיות.

מכאן שברור שכדי לשפר את הרזולוציה דרושים במצבי NOON יותר פוטונים, כלומר N גדול.

הקבוצה ממכון ויצמן יוצרת פוטון שמן יותר

עד כה יצירת מצבי NOON במעבדה הוגבלה ל-N=3. חוקרים שונים ניסו לעבור את הגבול הזה, אולם הדבר התגלה כמפרך במיוחד. קבוצה אחת הצליחה ליצור N=4 אולם המהלך בו הם השתמשו היה מסובך מאוד ומוגבל לארבעה מצבים.

הקבוצה של זילברברג ממכון ויצמן הצליחה ליצור מצבי NOON עד N=5 בעזרת ניסוי מאוד כללי. בניגוד לניסויים הקודמים, הסידור הניסויי מבוסס על מהלך התאבכות חדש. הקבוצה השתמשה באינטרפרומטר מאך-זנדר, מכשיר שמשמש לקביעת הזזת הפאזה בין קרניים כמעט מקבילות ממקור אור קוהרנטי. האינטרפרומטר משמש למדידת הזזות פאזה קטנות שנגרמות עקב השינוי באורך אחד מהמסלולים. הקבוצה השתמשה בנוסף במפצל קרניים מקטבות 50/50 כאשר אחריו נוצרו מצבי ה-NOON.

מהלך הניסוי

הקבוצה לקחה לייזר ויצרה פולסים קצרים של אור אינפרא אדום. כל פולס התפצל לשניים. הקבוצה המירה חצי אחד של הפולס לפולס קונבנציונאלי, "אור קלאסי", ואת החצי השני לפולס קוונטי שמכיל פוטונים שזורים, "אור קוונטי". שני חצאי הפולסים נורו אל מפצל הקרניים.

כיצד יוצרים פוטונים שזורים? את הפוטונים השזורים יוצרים באמצעות המרת spontaneous parametric down-conversion (SPDC) – הליך מרכזי בניסויים באופטיקה קוונטית בייחוד ליצירת פוטונים שזורים. הפוטונים נכנסים לגביש שקוף של β בריום בוראט ומתפצלים לזוגות שזורים.

כדי למדוד כמה פוטונים שזורים נוצרו הקבוצה שלחה את הפוטונים דרך מפצל הקרניים. מסביב היו גלאים שרשמו את התקדמות הפוטונים. כזכור פוטונים שזורים במצב NOON מתנהגים כאילו הם חלק מגוש פוטון בודד שמן. למפצל הקרניים יש שתי כניסות ושתי יציאות. לכן כל N הפוטונים בוחרים את אותה היציאה מהמפצל כאילו היו פוטון בודד. אבל מבצעי הניסוי לא יודעים באיזו יציאה מבין השתיים יבחרו כל הפוטונים. שני המסלולים אז מאוחדים מחדש באינטרפרומטר מאך-זנדר. כאשר מודדים את האמפליטודה ואת הפאזה של סיגנל ההתאבכות שמתקבל, הקבוצה קובעת את דרגת השזירה וכמה פוטונים הם שזורים.

הקבוצה חישבה שבעזרת הסידור הניסויי שלהם הם יוכלו להשיג רמת דיוק ניסויית של 92% בלבד. זה טוב עבור מספר שרירותי של פוטונים. הניסוי עבד בתשעים אחוז מהפעמים. אולם תוך התחשבות בפשרה הזו, הניסוי לכן כללי ויכול להפיק מצבי NOON גבוהים, מה שהניסויים הקודמים לא הצליחו לעשות.

עבור מצב NOON בעל חמישה פוטונים, הקבוצה מדדה קונטרסט בסיגנל ההתאבכות של בערך 42%. עבור שניים, שלושה וארבעה מצבי NOON הקונטרסטים היו 95%, 86% ו-74% בהתאמה. אם הפוטונים לא שזורים בכלל, הקונטרסט הוא 17%.

שיתוף ב print
שיתוף ב email
שיתוף ב whatsapp
שיתוף ב linkedin
שיתוף ב twitter
שיתוף ב facebook

42 תגובות

  1. לאבי בליקובסקי (ולאורון): לדעתי יש מקום לבקש מאורון (אם הוא מוכן), שאני מבין שהוא אחד מכותבי המאמר (ומסביר נפלא), לכתוב כתבה נוספת על הניסוי ומשמעויותיו אולי עם קצת רקע. הנושא מרתק, ואני חושב שיש מקום לכתבה יותר מקיפה.

    ובכלל, במקרה של תגלית ישראלית – למה לא לפנות את המדענים עצמם, הרי הם כאן.

  2. במילה מודים או אופנים אני מתכוון למצבים של המערכת אשר שונים בתכונותיהם הבסיסיות, כמה דוגמאות למודים שונים: תדרים שונים (פוטונים בעלי אנרגיה שונה), פוטונים אשר נעים במסלולים אשר מופרדים מרחבית, קיטובים ניצבים וכו'.

    לא ניתן לדעת באיזה מוד בחרו הפוטונים לנוע מכיוון שבכל זמן נתון שיש פוטונים במערכת הם נמצאים בסופרפוזיציה שהם גם במוד 1 וגם במוד 2 בסיכויים שווים (מה שקרוי שזירות), בדומה לחתול של שרדינגר. אם נדע באיזה מוד הפוטונים בחרו בעזרת גלאי שמגלה פוטונים רק במוד אחד מהשניים אז הפוטונים כבר לא יהיו בסופרפוזיציה בין 2 המודים ויהיו רק במוד אחד בכל פעם (החתול יהיה חי או מת אבל כבר לא שניהם ביחד).

    קריסת פונקצית הגל מתארת את המעבר ממצב של חוסר ודאות בין כמה אפשרויות למצב דטרמיניסטי בגלל מידע שקיבלנו על המערכת.
    תוספת הפאזה במערכת לא מביאה לקריסת פונקצית הגל (וביטול השזירות) מכיוון שהיא לא מוסיפה לנו מידע על הנעשה במערכת, בגלל שאנחנו לא יודעים אם הפוטונים עברו או לא דרך האלמנט שמוסיף פאזה.

  3. אורון

    יש לי כל כך הרבה שאלות אליך שאני לא יודע מה לשאול… אגב, גם אני מצטרף לאחרים- פשוט תענוג לקרוא את ההסברים שלך.
    שוב, רק בשביל לדעת אם הבנתי נכון את מה שאתה מסביר, וסלח לי על כך שאין לי כמעט שום ידע בפיזיקה, ועל הניסוח של השאלות:

    למה אתה מתכוון במילה 'מוד'? האם אתה מתכוון ל-אופן/תוואי או שהכוונה לאופני תנודה עצמיים?
    מדוע אין דרך לדעת באיזה מוד בחרו הפוטונים? האם זה בגלל שהם נמצאים בסופרפוזיציה אחרי ההתקבצות? האם קריסת הגל אינה קורית בזכות העלאת המופע?

    תודה.

  4. דבר ראשון אני שמח שישנה כזאת התעניינות בנושא ואני כמובן שמח לענות ככל יכולתי על שאלותיכם.

    בנוגע לשאלתו של אהוד:
    אם נתרגם את אפקט הדיפרקציה לשפה קוונטית של פוטונים אז הניסוי יתואר בצורה הבאה: ישנם N סדקים במרחק מסוים אחד מהשני ודרכם עובר אור קוהרנטי בעל סטטיסטיקה פואסונית (במילים פשוטות – לייזר רגיל). אז בכל פולס יצאו מהלייזר מספר אקראי (M ) של פוטונים שיתחלקו בין כל הסדקים ויעברו דרך אופטית קצת שונה עד שיפגשו מחדש במסך/מצלמה/גלאי וההתאבכות תקרה בגלל חוסר היכולת להבחין מאיזה סדק הגיעו הפוטונים השונים בשל העובדה שכל הפוטונים זהים.

    במקרה של מצבי NOON מספר הפוטונים הינו קבוע (N) ולא אקראי וכולם יעברו דרך אותו סדק ולא יתחלקו לכמה קבוצות, ובכל פולס הם יעברו כולם דרך סדק אקראי אחד.

    הדבר הכי קרוב שאני יכול לחשוב עליו בהקשר של האנלוגיה לדיפרקציה הינה שבדיפרקציה ישנו חיבור של כמה מקורות זהים (קוהרנטים) ובמצבי NOON ישנו חיבור של N פוטונים זהים באותו מוד. אם במקום N פוטונים זהים באותו מוד היו לנו N פוטונים לא זהים אז אפקטי ההתאבכות הקוונטית לא היו מופיעים כי הפוטונים לא היו "מדברים" ביניהם (כמו חיבור של N שדות א"מ בעלי תדר שונה). בנוסף לזה שכל הפוטונים נמצאים באותו מוד, רק השזירות בין שני המודים גורמת לזה שאנו יכולים להבחין בצבירת הפאזה המהירה כאשר ישנה סופרפוזיציה בין שני המצבים השונים (N פוטונים במוד 1 ואפס ב-2 וההיפך).
    ולכן ל NOON יש 2 תכונות קוונטיות שאין להן אנלוג קלאסי : מספר פוטונים קבוע ולא אקראי ושזירות.

    בקשר לאלגוריתם הקוונטי : שוב לא נראה לי שיש קשר. במערכת אידיאלית כאשר אנו מכוונים את המערכת ליצור מצב NOON עם N פוטונים אנחנו לא מסננים את התוצאות, אלא רק מסתכלים על אירועים של N פוטונים. מצבים עם M פוטונים (M שונה מ-N) יהיו דומים למצבי NOON אבל בחפיפה יורדת והולכת ככל ש-M רחוק מ-N. יש לשים לב שברגע שאנחנו מערבבים אור קלאסי וקוונטי התוצאה תמיד תהיה קוונטית (בעלת רמת שזירות כלשהי). התוצאה של עירבוב האור הקלאסי והקוונטי שיוצרת את מצבי הNOON בניסוי שלנו נקבעת אך ורק לפי הסטטיסטיקה של המצבים (סטטיסטיקה פואסונית וסטטיסטיקה של ואקום מכווץ – squeezed vacuum ) והיא מאוד שונה ומסובכת מאשר הקלט של האלגוריתם של גרובר.

  5. תשובות לר.ח רפא.ים:
    מהקצת שקראתי על ספינאופטיקה הייתי אומר שאפקט זה לא יתרום בעתיד הקרוב לשיפור גלאי הפוטונים. הכיוון הנוכחי בגלאי פוטונים בודדים הוא מוליכי על מקוררים אשר יוכלו להבחין במספרי פוטונים של בערך 10-20.

    במערכת האופטית בניסוי זה ישנם 2 מודים קבועים שרק לצורך פשטות ההסבר נבחר אותם להיות 2 מסלולים אופטיים נפרדים. אפשר לדמיין צומת T שהפוטונים שמגיעים אליה יכולים לבחור האם לפנות שמאלה או ימינה, כאשר בכל פולס הבחירה האקראית נעשית מחדש בדומה להטלת מטבע (עץ = שמאלה, פלי = ימינה). ובנוסף בהמשך הדרך הימנית יש אלמנט פאזה אופטי שתלוי במתח חשמלי (אפשר לדמיין רמזור שע"י מתח משתנה ניתן לבחור לכמה זמן הוא יהיה אדום ויעכב את הפוטונים שמגיעים אליו ב-X שניות). ולבסוף 2 המסלולים נפגשים מחדש ונגרמת התאבכות ע"י 2 האפשרויות (שמאל או ימין) שהפוטונים בחרו.

    הנקודה החשובה הינה שהמודים קבועים מראש והפוטונים בוחרים בכל פולס מחדש לאיזה מוד לפנות/לבחור ואין שום דרך לדעת באיזה מוד הם בחרו (כי אם היינו יודעים אז פונקציית הגל היתה קורסת ולא היתה התאבכות בין שני אפשרויות).

    הסיבה שבניסוי זה בחרנו ב-2 קיטובים שונים ולא בשני מסלולים שונים היא סיבה נסיונית, באותה מידה אפשר לבצע את הניסוי גם עם 2 מודים שהם 2 מסלולים אופטיים שונים.

  6. אורון

    שוב תודה על ההסברים מאירי העיניים ועל ההשקעה!

    אמנם דיפרקציה הינה תופעה קלסית אבל אנסה להסביר את האינטואיציה מאחורי השאלה שלי
    לגבי הקשר בין אי-הודאות של מצב NOON לדיפרקציה.
    לטעמי מבחינה מתמטית השאלות על מצב קוונטי של אור הן פשוט שאלות על חיבור
    של מספרים מורכבים או וקטורים. אם כווני הוקטורים הם אקראיים כמו באור קלסי
    אז אנחנו מקבלים אנלוג למהלך שיכור (ב- N צעדים) שבו הממוצע הוא בראשית וההתפלגות סביבו
    היא גאוסיאנית עם רוחב שהולך כמו שורש N. אם אנחנם בוחרים לחבר את הוקטורים באותו
    כוון אני מצפה כי הדבר יהיה דומה לחיבור של N מקורות קוהרנטיים כפי שמתבצע בדפרקציה
    בN סדקים. בפועל אני מניח כי N פוטונים שזורים יתנו מצב על ספירת בלוך שגם היא מתארת
    מצבים טהורים.

    הקישור לאלגוריתם גרובר גם הוא לא מבוסס לחלוטין והינו נסיון לחבר את הניסוי שלכם
    עם אלגוריתם קוונטי. הקלט בניסוי שלכם מתואר על ידי כל המצבים בעלי עד M פוטונים חלק מהמצבים הם שזורים וחלק לא מתוך כל המצבים את "מססנים" מצב עם שזירה מסויימת של N פוטונים (במקרה
    האמור N=5). כלומר בהזנחת הdecoherence אתם מבצעים פעולות אונטריות על פוטונים ומודדים מצב שזירה אחד בהסתברות גבוהה לטעמי מעין אנלוג לחישוב קוונטי. שוב אני חושב כי יש כאן את התשובה אבל חסרה השאלה. כלומר יתכן כי בדיעבד ניתן לייחס את הניסויי שלכם לחיפוש במאגר נתונים באמצעות אלגוריתם קוונטי.

  7. נכון, לצערי למדתי שלכתוב אנגלית ולכתוב חזקות לא תמיד עובר ממחשב למחשב. אם מכניסים מלה באנגלית לפעמים זה מבלגן את כל המשפט.
    בכל אופן המאמר עורר תגובות רבות וזה אומר שהמחקר של החוקרים ממכון ויצמן מעניין במיוחד מדענים וגם אנשים שלא באים מתחום המדע. וזה כשלעצמו מאוד משמח וגם חשוב. כי במדינה שלנו המדע וההשכלה לא תמיד מקבלים את תשומת הלב הראויה וגם לא תמיד זוכים לתקציבים הראויים.

  8. ועוד שאלה אחת, שאדע אם הבנתי אותך נכון:

    האם המוד של הפוטונים השזורים מושפע/תלוי בתווך (כמו liquid crystal שציינת) שבו הם מתקבצים?

    תודה רבה.

  9. אורון

    לא מזמן שמעתי על תחום חדש במדע שנקרא ספינאופטיקה
    http://rbni.technion.ac.il/.upload/page23-feb09.pdf

    שאלה מתוך סקרנות- האם הענף החדש הזה, בעתיד, יוכל לתרום בבניית מכשיר בעל רגישות גבוהה יותר לאור, מזה הקיים, שיעזור להגיע לרמות יותר גבוהות של N?
    או שאין לזה קשר?

    תודה רבה בכל מקרה.

  10. גלי. לצערי הדבר הבטוח ביותר הוא לכתוב את החזקות במילים (10 בחזקת 50) כך שום דבר לא יתהפך ולא ייעלם. למרות שאני יודע שזה מסורבל.
    אבי

  11. בכתבה ישנה טעות טייפו – טעות דפוס – בגלל שבעת ההעברה ממחשב למחשב החזקות הרבה פעמים מתבטלות. במשפט שמופיע בכתבה:

    "אם משתמשים באינטרפרומטר והאור מצטרף מחדש במכשיר, אי הודאות במדידה היא 1/N כתוצאה לעומת 1/N1/2 בשימוש בפולסים של פוטונים קונבנציונאליים".

    צריך להיות במשפט אחד חלקיי N עבור אי הודאות במדידה.
    ו- אחד חלקיי N בחזקת 12 בשימוש בפולסים של פוטונים קונבנציונאליים.
    אם זה יעזור למישהו להבין את ההסברים של אורון… 🙂 …
    בכל אופן זה משמעותי מאוד.
    ואת זה שוב אורון יכול להסביר לכם טוב ממני 🙂 …

  12. תשובה לר.ח רפ.אים:
    דבר ראשון פוטונים שזורים מתנהגים בצורה מקרוסקופית כמו כל פוטון אחר, לדוגמא במערכת האופטית משתמשים עדיין במראות, עדשות, סיבים. וכל חוקי האופטיקה הגיאומטרית והגאוסיינית עדיין תקפים. השוני הוא בהתקבצות שלהם באותו אופן (מוד) שגורמת לצבירת הפאזה המהירה ולתופעות התאבכות קוונטיות שלא היו קורות עם פוטונים רגילים (לא שזורים).

    תשובה לאהוד:
    גילוי פוטונים זה עסק קצת מסובך. כאשר יש כמות גדולה של פוטונים ("גדולה" יכול להיות גם ננו-וואט שזה 9- ^10 וואט או 10 מיליארד פוטונים באור נראה) אז אין בעיה להפוך את שטף הפוטונים לשטף אלקטרונים שיצור זרם מדיד. אבל כאשר מנסים למדוד פוטון בודד, גם אם הוא יעורר אלקטרון אחד אז הזרם שיווצר לא יהיה מדיד. ולכן משתמשים בגלאים מסוג APD :
    http://en.wikipedia.org/wiki/Single-photon_avalanche_diode
    שעיקרון הפעולה שלהם מבוסס על כך שפוטון בודד יכול ליצור תגובת שרשרת (כמו מפולת שלג שמתחילה מכדור שלג קטן) שתגרום לבסוף לזרם חשמלי מדיד ביציאה.
    היתרונות של גלאים מהסוג הזה הוא פשטות השימוש שנובעת מעבודה ללא קירור מיוחד (אין צורך בחנקן נוזלי) ורמת רעש נמוכה (יכול להגיע אף פחות מ-100 אירועים בשניה ביחס לסיגנל שהוא בדר"כ לפחות אלף או מיליון), החיסרון העיקרי הוא חוסר היכולת להבחין אם הגיעו לגלאי פוטון אחד או יותר מכיוון שהתוצאה ביציאת הגלאי בכל המקרים תהיה זהה ולכן כדי לגלות N פוטונים צריך לפצל את הקרן ל-N קרניים בעלי עוצמה שווה כאשר כל קרן תגיע לגלאי נפרד.

    יש לציין שיש גלאים שיכולים לגלות גם מספר פוטונים, כלומר אם הגיעו לגלאי N פוטונים, ביציאה יהיה אות הפרופורציונלי ל-N. אבל הטכנולוגיה עדיין לא בשלה והגלאים הנוכחיים בחלקם צריכים קירור בחנקן נוזלי ועובדים בקצב נמוך וסובלים מיעילות גילוי נמוכה באור נראה. בהינתן שבעיות אלו יפתרו אז גלאים אלו יחליפו את גלאי הפוטונים הבודדים הרגילים ויאפשרו גילוי של מספר רב של פוטונים בו זמנית.

    כאשר יש N פוטונים בפולס אור אחד יש לפצל את הקרן ל-N קרניים בעלי עוצמה שווה שיגיעו ל-N גלאים נפרדים. באופן אידיאלי יגיע פוטון אחד לכל גלאי בפרק זמן האופיני לפולס ולכן אם בכל פולס יהיה מאורע של N "קליקים" בו-זמנית בגלאים אז נוכל לדעת שהיו לנו N פוטונים. החוכמה היא כמובן להגדיר את חלון הזמן שבו נחשיב הגיעה "בו-זמנית" של הפוטונים השונים בצורה שרק פוטונים מאותו פולס יחשבו ולמזער רעש לא רצוי.

    גם במקור לייזר שהינו מקור האור הכי קרוב לקלאסי שיש, אפשר לראות שבכל פולס יש מספר אקראי (בהסתברות פואסונית) של פוטונים ואם נבצע היסטוגרמה של כל הפולסים נוכל לשחזר במדויק את הססטיסטיקה כולה והממוצע יהיה ביחס ישיר לעוצמת האור הממוצעת של הלייזר.

    מצב NOON הוא מצב שבו יש N פוטונים במוד אחד ואפס בשני בהסתברות שווה של 50%. בניסוי זה שני המודים היו שני קיטובים ניצבים שנעו באותו מסלול אופטי כאשר הפאזה שהתווספה לאחד המודים התבססה על אלמנט אופטי ( liquid crystal ) שמוסיף פאזה כתלות במתח חשמלי רק לקיטוב מסוים ולא משפיע על הקיטוב הניצב לו. השימוש בקיטובים שונים ובאותו מסלול אופטי גורמת ליצוב המערכת בגלל שלא מתווסף רעש תלוי מיקום מרחבי (כמו תזוזות אוויר) בין שני המודים.

    רגישות הפאזה של מצבי NOON כתלות ב-N גורמת לאי הודאות (שהיא סטיית התקן של הפאזה) בידיעת הפאזה במערכת לרדת כמו 1 חלקי N בניגוד למקור קלאסי שבו אי הודאות יורד כמו 1 חלקי שורש N (מקור קלאסי כמו הלייזר הינו בעל סטטיסטיה פואסונית שהינו בעל התכונה שסטיית התקן שווה לשורש הממוצע, ולכן אי הודאות במספר הפוטונים שווה לשורש מספר הפוטונים הממוצע בפולס N).

    עד כמה שידוע לי אין קשר בין רגישות הפאזה של מצבי NOON לאלגוריתם של גרובר, ותופעות דיפרקציה הינן אפקטים קלאסיים של התאבכות גלים אלקטרומגנטים כאשר אפקטים של שזירות לא
    ניתן לתאר ע"י התורה הקלאסית ולכן אין קשר בין דיפרקציה לבין התופעות הקוונטיות שקורות למצבי NOON.

    חג שבועות שמח לכולם

  13. אין לי מושג מה כתוב כאן. (;_;)
    הייתי רוצה להבין קצת יותר את הנושאים האלה. אולי תפרסמו רשימת קריאה של ספרי מדע פופולרי בכל קטגוריה בידען? זה יכול להיות מעניין.

  14. אורון

    שוב תודה על התשובות. אודה לך אם תמצא זמן לענות לעוד שאלות:

    אתה כותב כי פוטונים יתגלו תמיד כחלקיקים מובחנים הייתי שמח אם יכלת לספר:

    1. כיצד מגלים פוטונים במעבדה. אילו גלאים משמשים לגילוי פוטונים בודדים?
    2. מה קורה כאשר יש לי מספר מקרוסקופי של פוטונים במצב מסויים (אנלוגי לקונדנסט
    של בוזה אינשטיין) דבר המתרחש גם בלייזר. האם גם במקרה זה הפוטונים מתגלים
    אחד אחד או מתנהגים קולקטיבית?
    3. אני מניח כי אתם מגלים את השזירה באמצעות קורלציות בין המדידות של הפוטונים
    בגלאים ספציפיים. מה הם מצבי הNOON בניסוי שלכם? מצבי קיטוב?או פשוט מסלולים
    במרחב? היה לי קושי להבין זאת מתוך הכתבה.

    ושאלה אחרונה שאולי לא קשורה לחלוטין אבל נאמר בכתבה כי הרעש עבור N פוטונים
    שזורים הולך כמו 1 חלקי N בעוד הרעש עבור N פוטונים לא שזורים הולך כמו שורש
    N . עובדה זו מזכירה לי את האלגוריתם הקוונטי של גרובר (רק במהופך) לחיפוש במאגר נתונים כאשר
    האלגוריתם הקלסי מצליח למצוא נתון בסדר N חיפושים והאלגוריתם הקוונטי מוצא נתון
    בסדר שורש N. האם יש בין הדברים קשר טריויאלי? אולי התופעה בבסיסה קשורה לדיפרקציה
    דרך סדק יחיד או N סדקים?

  15. אורון

    אני לא יודע אם התבצע ניסוי כזה או לא, ורמת הידע שלי בפיזיקה נמוכה, אז בבקשה אל תתפלא על השאלה שאני שואל ואשמח אם תוכל להבהיר את העניין בשבילי:
    מה קורה עם הפוטונים השזורים כאשר הם עוברים בתווך כלשהו?

    תודה

  16. תשובה לר.ח רפא.ים:
    אורך הגל של הפוטונים במערכת נשאר זהה לכל אורך התהליך, גם אם הם שזורים וצוברים פאזה כפוטון אחד שמן.
    ולכן 5 פוטונים באינפרא אדום קרוב יצברו פאזה כמו פוטון אחד באולטרא-סגול (UV), אבל הם לא יקבלו תכונות אחרות של האור האולטרא-סגול (כמו בליעה ויכולת לינן אטומים).
    שינוי אורך גל של אור יכול להתבצע רק ע"י תהליך לא לינארי וזה כבר סיפור אחר.

    בקשר למכשירי המדידה – יצירת מצבי NOON עם הרבה פוטונים מוגבל רק ע"י יעילות המערכת ולכן שימוש בגלאים טובים יותר עם יעילות גילוי גבוהה יותר תשפר רק גורם אחד (ולא מבוטל) מיני כמה.
    כדי ליצור מצבי NOON של מאות או אלפי פוטונים המערכת תצטרך להיות כמעט מושלמת (יעילות של כמעט 100%) ואני לא רואה את זה קורה בעתיד הקרוב.

    תשובה לאהוד:
    הפסד הוא באמת סוג של decoherence של הפאזה והוא נגרם כאשר הפוטונים לא שורדים את המעבר במערכת (בליעה, פיזור, הסטה מחוץ לדרך האופטית וכו').
    הבעיה העיקרית בהפסד היא שכאשר אנחנו מנסים לדוגמא ליצור NOON של 4 פוטונים, יש במערכת גם מצבים של 5 פוטונים שבמערכת אידיאלית לא יפריעו למדידה של ה-4.
    אבל אם יש הפסד במערכת, יש סיכוי שאחד הפוטונים מה-5 יעלם (יצא מהמערכת) ויתגלה כמאורע של 4 פוטונים אבל עם פאזה לא נכונה ולכן ההפסד יצר רעש אשר יכול למסך לגמרי את הגילוי של המאורעות הרצויים.

    הדרך היחידה להתגבר על בעיה זו היא להוריד את עוצמות האור במערכת (ואז סיכוי המאורעות מהסדר הגבוה מהרצוי יהיו זניחים), אבל זה יגרום גם לקצב אירועי האות הרצוי גם לרדת עד לרמה לא מדידה.

    בקשר להתנהגות 5 הפוטונים כמו פוטון בודד: שזירות הפוטונים לא קשורה לאופן שבו אנו סופרים או מגלים את הפוטונים (שהם חלקיקים לא מובחנים, כלומר זהים לגמרי).
    N פוטונים ישארו ויתגלו כ-N פוטונים ללא קשר למצבם הקוונטי.

  17. אורון

    שוב תודה על ההסבר. האם נכון להניח כי כאשר אתה מדבר על הפסד אתה מתייחס לdecoherence ?
    האם יש מנגון ספציפי ל- decoherence במקרה זה? לפי התשובה שלך אני מניח כי הdecoherence מתכונתי לפאזה.
    יכול להיות שפשוט התכוונתי לדליפה החוצה מהמערכת של פוטונים אז יש לי
    שאלת תם נוספת: אם הבנתי נכון אתה מחשב את ההסתברות לאיבוד פוטון ומעלה בחזקת מספר הפוטונים, אבל האם מצב של 5 פוטונים במצב קוונטי אחד אינו שונה ודומה יותר למצב של פוטון בודד?
    זאת כיון שאין לנו אפשרות אמיתית להבחין בין הפוטונים הם שזורים.
    אודה לך אם תמצא זמן לענות ושוב תודה.

  18. אורון

    תודה רבה על ההסברים, הם הרבה יותר טובים מהכתבה עצמה.
    יש לי מספר שאלות אליך אני אשמח אם תענה לי עליהם:

    1- כאשר הפוטונים שזורים הפאזה שלהם גדלה, זה מה שהבנתי, אבל מה הסיבה שאורך הגל אינו מתקצר? האם זה בגלל שהם מופיעים כפוטון אחד בעל אותו אורך גל כמו של הפוטונים השזורים? למה פונקציית הגל של הפוטון אינה משתנה?

    2-האם בעזרת מכשיר מדידה משוכלל – בדומה למה שהשתמשו בו בניסוי, רק הרבה יותר משוכלל- אפשר להגיע ל N של לפחות כמה מאות? כלומר האם הפוטנציאל של N במצב NOON יכול להגיע אפילו עד מאות או אלפים?

    תודה.

  19. למגיב 3
    אתה גם ככה מתוסבך חבל שתמשיך להסתבך.

  20. האבולוציה כנראה שפועלת לא רק בביולוגיה אלה גם ברמה הבסיסית ביותר של הטבע: במעבר מקני המידה הקוונטי המיקרוסקופי לקני המידה המאקרוסקופי של תורת היחסות ע"י המעבר מסופרפוזיציה לקריסת הגל של ההסתברות החזקה ביותר . כלומר הישרדותם של ההסתבריות החזקות ביותר.
    זה נקרא דארוויניזם קוואנטי

    http://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_Darwinism

  21. תשובה לאהוד:

    עד למאמר המדובר השיטות שבהם השתמשו ליצירת מצבי NOON היו די מסובכות והיו מיועדות ל-N ספציפי (N=2,3) ויצרו את המצבים הרצויים ביעילות תיאורטית נמוכה (ונסיונית נמוכה עוד יותר), אבל במערכת הנוכחית אפשר ליצור מצבי NOON עם N שרירותי כלשהו כאשר משנים רק את עוצמת מקור האור הקוונטי (בדומה לסיבוב כפתור) יחסית לעוצמת מקור האור הקלאסי (הלייזר ה"רגיל" במעבדה) למספר מסוים שניתן לחישוב בקלות. ואם המקור האור הקוונטי לא חזק מספיק (מה שבד"כ קורה) אז אין בעיה, כי פשוט מגבירים את עוצמת האור הקלאסי במקום.

    תיאורטית ניתן ליצור במערכת זו NOON כפי יכולתך (אשר מוגבל לגילוי ע"י מס' הגלאים, שהם מאוד יקרים).

    אז למה כותבי המאמר עצרו בחמש (ונראה לי שהם יודעים גם את הספרות העוקבות)? בתגובה הקודמת שלי דיברתי על פאזה שבר"כ רגילים לחשוב עליה כאל מספר ממשי, אך לפעמים מתגנב לו שם גם מספר מדומה (מספר מרוכב) שהוא היצוג המתמטי של הפסד (או לחילופין הגבר) . ולכן אם יש לנו הפסדים במערכת (ותמיד יש) אז מצבי הNOON יצברו הפסד פי N יותר מהר (יותר מדויק בחזקת N יותר מהר) .

    עכשיו במערכת הספציפית הזו היעילות מגיעה רק ל-12% (שנובעת מכל מיני אילוצים פיסיקלים וטכנולוגים) ולכן אם היו לנו M מאורעות של 5 פוטונים בשניה במערכת מושלמת ללא הפסדים, אז במערכת עם יעילות של 12% יהיו לנו רק 5^0.12*M מאורעות. היעילות נכנסת בדמות הסיכוי להצליח לגלות פוטון בהינתן אחד. זו הסיבה שהם נעצרו ב-5 פוטונים.

    אבל אם במערכת משופרת (וזה אפשרי עם הרבה עבודה קשה ואמצעים מאוד משוכללים) היעילות תגיע ל-50% אז הכותבים מצהירים שאפשר ליצור ולגלות בקצב סביר אפילו NOON של 9 פוטונים. וזה כל היופי במערכת, שרק היעילות מגבילה ולא שום גורם אחר.

  22. מיכ*אל
    תודה על ההפניה למאמר

    אורון
    תודה על ההסבר מאיר העיניים. אגב מה קובע את הגבול לN מצבי ה-NOON? כלומר
    מה מגביל את היכולת לראות מצבי N גבוהים יותר? אני מניח כי מדובר ביחס
    אות לרעש כלומר מספר מצבי N גבוהה מסך כל המצבים הולך וקטן כאשר N
    גדל ולכן ההסתברות לקבלתם הולכת וקטנה אבל האם יש פונקציה פשוטה
    המתארת את התלות ב-N. לעומת הסיגנל מה מקור הרעש בניסוי המגביל את יכולת המדידה?

  23. תשובה לכמה מחמאות… 🙂
    כתיבת מאמר אינפורמטיבי יכולה להעשות בכמה רמות. המאמר הוא פופולארי, כלומר בלי משוואות. אבל פופולארי יכול להיות דווח של הרויטרס:
    http://www.reuters.com/article/idUSTRE64C4JT20100513
    ויכול להיות דיווח הרבה יותר מסובך.
    כתבה היא בדרך כלל בין 800 ל-900 מלים. 1000 מלים זה כבר ארוך מידי ולאנשים אין סבלנות לקרוא. כדי לכתוב כתבה של 800 מלים בממוצע צריך לקרוא את המאמר של החוקרים וגם לקרוא עוד המוני מאמרים נוספים. לגבי אופטיקה קוונטית, אני עוסקת ביסודות הפיסיקה המודרנית.
    תודה לאורון – ההסבר פשוט נהדר.

  24. אני אנסה לענות על כמה שאלות שהעלו פה לפני ולהבהיר כמה נושאים בסיסיים באופטיקה קוונטית.
    שאלה: מה זה מצב NOON?
    תשובה: כמובן אין קשר לצהריים, אלא לאופן הכתיבה המתמטית של המצב שהיא ש |0>+|0>|n . כאשר n הפוטונים נמצאים בסיכוי שווה באחד משני האופנים (מודים) השונים של המערכת (ואפס פוטונים באופן השני), כאשר האופנים יכולים להיות מרחביים או קיטוב שונה וכו'. מצבי High-NOON הם פשוט מצבי NOON עבור N גבוה (5 זה מספיק גבוה…).

    שאלה: למה 5 הפוטונים צוברים פאזה פי חמש יותר מהר?
    תשובה: לפי תיאורית האופטיקה הקוונטית N פוטונים צוברים פאזה פי N יותר מהר מאשר פוטון בודד. הסיבה שאנו לא מבחינים בכך עבור מקורות אור מקרוסקופיים היא מספר הפוטונים הגדול והאקראי שעבורו הפאזה הקוונטית מתמצעת (צריך לזכור שעבור וואט אחד של אור נראה יש בערך 10 בחזקת 19 פוטונים!). גם עבור מקור לייזר שהוא מקור האור הקוונטי "הכי קלאסי" שיש הפאזה הקוונטית מתמצעת לפאזה שהיה צובר רק פוטון בודד בשל המיצוע על הססטיסטיקה הפואסונית שקובעת את מספר הפוטונים האקראי בכל פולס.
    אבל במצבים קוונטים של אור שבהם יש בדיוק N פוטונים (כמו מצבי ה-NOON) אנחנו נראה את צבירת הפאזה המהירה באופן השקול לשימוש באורך גל פי N יותר קטן. יש לשים לב שהאור בבסיסו נשאר בעל אותו אורך גל ולכן 5 פוטונים באינפרא אדום לא באמת מפיצים קרינת UV.

    הסבר נוסף לאופי הקוונטים המיוחד של מצבי ה-NOON הוא בעזרת גירסא קצת שונה (ומקורבת) של עקרון אי הודאות של שרדינגר שאומר שאי הודאות במספר הפוטונים כפול אי הודאות בפאזה גדול או שווה ל-1 (1=< dN * dPhi ) ועבור מצבי ה-NOON אי הודאות במספר הפוטונים הוא מקסימלי בגלל ש- dN=N ולכן אי הודאות בפאזה הוא המינימלי ביותר לפי תורת הקוונטים ומהווה חסם תחתון לכל מצב קוונטי, וזו אחת הסיבות שמצבי ה-NOON מושכים כל כך הרבה תשומת לב. שאלה: אז מה אם החתול? תשובה: לחתול שלום.

  25. הם בצעו סיאנס בשעת הצהרים ובפעולת רפאים למרחוק הצליחו לתפוס חתול שמן ששמו גדנקן.
    בזמן הסיאנס אי אפשר היה לדעת באם החתול חיי או שזו אחת מ9 הנשמות שלו מצבי חתול רבים, בבדיקה אורך פולסים של אור אינפרא אדום "גל של האור שהתקבל ממנו" התברר שזו היתה הנשמה החמישית שלו.

  26. מה זה הכתבה הזאת ?! דחפת 3000 מושגים לתוך סלט אחד גדול. הנושא אמור להיות מאוד מענין אבל נראה כי הכתיבה "דפקה" הכל.

    למרות הכל – אתר המדע מספר 1 בעולם אתם !!!!!!!!!!!!

  27. הכתיבה ממש לא משהו. נראה שהכותבת תרגמה את מה שהיא קראה או שמעה מילה במילה בלי בדיוק להבין מה נאמר שם. אם אין לך את הכלים להסביר אופטיקה קוונטית עכשווית, אולי תתמקדי בתחומים אחרים. הכתיבה היא סלט של עובדות שלקורא המבין (!) קשה לעקוב אחריהן. חלק מהעובדות לא רלוונטי בכלל לקורא ההדיוט.

    ראו לדוגמא את המשפט הבא שדגתי מהכתבה:
    "היא 1/N כתוצאה לעומת 1/N1/2 בשימוש בפולסים של פוטונים קונבנציונאליים."
    נעזוב את היחסים של "אחד חלקי N" שמופיע לא נכון בטקסט…
    פוטונים קונבנציונאליים ? רוצה לומר "לא שזורים", או אולי "מצב קוהרנטי" וכיוב'.
    אינטרפרומטר מאך-זנדר – שימי איזה לינק לוויקיפדיה שאנשים יבינו מזה.
    http://wapedia.mobi/he/%D7%90%D7%99%D7%A0%D7%98%D7%A8%D7%A4%D7%A8%D7%95%D7%9E%D7%98%D7%A8%D7%99%D7%94

  28. דר. גלי ויינשטיין
    אולי תנסי להסביר מה שאת מבינה
    זה נשמע מבולבל

  29. לא ברור מה חדש בניסוי הזה ואיך הוא שונה מכל מאות הניסויים הדומים שנעשים.
    האם אפשר קישור למאמר המקורי אולי אצליח לפענח זאת בעצמי

  30. הסבר במילים פשוטות לר.ח רפ.אים
    גל דק לבן זוז שלח שלוש ואורירי
    מקוה שהמילים מספיק פשוטות.
    יש גם הסבר עם מילים מופשטות אבל אני לא רוצה לסבך.

  31. למה "הם רוכשים פאזה בקצב הרבה יותר מהר מאשר פוטון בודד בעל אותו אורך גל."? מה הגורם לכך?
    (אם אפשר הסבר במילים פשוטות)

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.

לוגו אתר הידען
דילוג לתוכן