# 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. 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…

- Canonical: https://www.hayadan.org.il/fat-photon-in-weizmann-1605102
- Author: דר. גלי ויינשטיין
- Published: 2010-05-16T00:10:02+03:00
- Modified: 2010-05-15T19:25:28+03:00
- Sections: פיזיקה קוונטית
- Topics: אורון אמבר, איתי אפק, החתול של שרדינגר, ירון זילברברג, מכון ויצמן, מצב NOON, סיינס, פיסיקה קוונטית

## Article

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. 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%.