חיבור בין שתי קבוצות מחקר בטכניון הוליד תחום מדעי חדש: מטא-חומרים קוואנטיים

המחקר המהווה פריצת דרך בכל הקשור לניסויים באינפורמציה קוואנטית התפרסם היום בכתב העת Science

מחקר משותף של ראש המכון למצב מוצק פרופ’-מחקר מוטי שגב מהפקולטה לפיזיקה ופרופ’ ארז חסמן מהפקולטה להנדסת מכונות הוליד תחום מדעי חדש: מטא-חומרים קוואנטיים. הממצאים פורסמו היום (13 בספטמבר 2018) במאמר משותף של החוקרים בכתב העת היוקרתי Science. במחקר השתתפו הסטודנטים תומר סתיו ודקלה אורן ממעבדתו של פרופ’-מחקר שגב, ד”ר ולדימיר קליינר והסטודנטים ארקדי פאירמן ואלחנן מגיד ממעבדתו של פרופ’ חסמן.

המחקר מדגים לראשונה את האפשרות ליישם מטא-משטחים בתחום המידע הקוואנטי והמחשוב הקוואנטי וסולל דרך ליישומים רבים ובהם הצפנה חסינה לגמרי. מחקר זה פותח אפשרות לשיתופי פעולה בין-תחומיים ולפיתוח מערכות של מידע קוואנטי על שבב.

מטא-חומרים הם מבנים ננומטריים מהונדסים שאינם קיימים בטבע, ואחת הקטגוריות הייחודיות שלהם היא קבוצת המטא-משטחים (Meta-Surfaces). אלה מבנים מלאכותיים דקים מאוד, דו-ממדיים לצורך העניין, המיוצרים בטכנולוגיות חדשניות ומטרתם לקיים אינטראקציות ייחודיות עם האור. באמצעות אנטנות ננומטריות אופטיות הקטנות בהרבה מאורך הגל. הטכנולוגיה שפיתח פרופ’ חסמן במעבדתו מאפשרת את בנייתם של מטא-משטחים מבודדים מדויקים מאוד עשויים סיליקון שקוף, ללא מתכות, שאינם בולעים את האור.

המחקר האופטי במטא-משטחים עסק עד כה רק באור “רגיל” ממנורת שולחן או ממכשיר לייזר, כלומר באור קלאסי (גלים אלקטרומגנטיים). בעבודה הנוכחית הדגימו חוקרי הטכניון לראשונה בהיסטוריה שימוש במטא-משטחים באופטיקה קוואנטית (האור כזרם של חלקיקים קוואנטיים הנקראים פוטונים) ובמידע קוואנטי. החוקרים הדגימו שימוש במטא-משטחים ליצירת שזירה קוואנטית – המרכיב החיוני ביותר בתקשורת קוואנטית, במחשוב קוואנטי ובהצפנה קוואנטית.

“במחקר הזה הבאנו את תחום המטא-חומרים לעולם המידע הקוואנטי,” אומר פרופ’-מחקר שגב ממייסדי מרכז הקוואנטום למדע, חומרים והנדסה ע”ש הלן דילר. “אנו רותמים כאן לראשונה את התכונות הייחודיות של מטא-חומרים ליצירה של אור קוואנטי ולשליטה בו. כעת נוכל להנדס את התכונות הקוואנטיות של האור באמצעות תכנון, ייצור ושליטה בחומר שדרכו הוא עובר. למעשה נולד כאן תחום מדעי חדש שיאפשר מזעור משמעותי מאוד של מערכות אינפורמציה קוואנטיות ופיתוח מגוון של אפשרויות למניפולציה של האור הקוואנטי בדרכים שחומרים רגילים אינם מאפשרים. אם בעבר יצרנו מערכות כאלה על שולחנות גדולים, כעת נוכל לבנות אותן על צ’יפים זעירים בהם משולבים מטא-חומרים”

לדברי פרופ’ חסמן, “המרכיב העיקרי כאן הוא מטא-משטח מבודד היוצר את השזירה בין הפוטונים. המטא-משטח חייב להיות מיוצר מחומרים שקופים (סיליקון) שאינם מוליכים ואינם בולעים אור, ולכן אי אפשר לייצר אותו ממתכת. למעשה לקחנו משטח ועיוותנו אותו, כלומר גרמנו לו דפורמציה מרחבית, וכך נוצר שדה מגנטי אפקטיבי שיוצר את הקורלציה הנדרשת, כלומר את השזירה. זהו הישג ענק של שתי הקבוצות.”

החוקרים הדגימו את השימוש במטא-חומרים ליצירת שזירה (entanglement) – תופעה שבה שני חלקיקים (פוטונים במקרה זה) מתנהגים כתאומים פיזיקליים המשפיעים זה על זה גם כאשר המרחק ביניהם עצום. פעולה המבוצעת על פוטון אחד משפיעה באופן מיידי (ללא הפרש זמן) על הפוטון התאום. המכניקה הקוואנטית גורסת כי פוטונים מתקיימים במצבי ספין חיוביים ושליליים בעת ובעונה אחת, אבל ברגע שהם נמדדים הם מקבלים מצב אחד. האנלוגיה המפורסמת היא “החתול של שרדינגר”, שהציג חתן פרס נובל ארווינג שרדינגר- אנלוגיה שבה החתול חי ומת בעת ובעונה אחת עד לרגע פתיחת הקופסה שבה הוא נמצא.

המחקר הנוכחי מבוסס כאמור על שיתוף פעולה בין שתי מעבדות מהמובילות בטכניון. החוקרים האירו בקרן לייזר על גביש הלא לינארי כדי ליצור זוגות פוטונים המאופיינים באפס תנע זוויתי וכל אחד מאופיין בקיטוב לינארי אחר. כל קיטוב לינארי הוא סכום של קיטוב מעגלי ימני וקיטוב מעגלי שמאלי, התואמים ספין חיובי ושלילי. המערכת כיוונה את צמד הפוטונים למטא-משטח, והאינטראקציה בין האור לחומר יצרה שזירה של שני הפוטונים.

בניסוי הראשון פיצלו החוקרים את זוגות הפוטונים – אחד דרך המטא-משטח ואחד דרך הגלאי. לאחר מכן הם מדדו את הפוטון הבודד שעבר דרך המטא-משטח וגילו כי הוא אכן פיתח תנע זוויתי אורביטלי השזור עם הספין שלו. בניסוי השני, הועברו צמדי הפוטונים דרך המטא-משטח ונמדדו באמצעות שני גלאים. החוקרים גילו כי הספין של אחד הפוטונים בצמד נעשה שזור עם התנע הזוויתי האורביטלי של הפוטון השני, ולהיפך.

להתחרות עם קבוצות מחקר מכל העולם – ולנצח
לדברי הפרופסורים שגב וחסמן, “המחקר הנוכחי נולד מרעיון של שני סטודנטים שלנו לתואר שני – תומר סתיו וארקדי פאירמן. הם הגיעו אלינו עם רעיון חדשני ופורץ דרך שהוביל לכיוונים חדשים של מחקר ויישום, למשל מערכות של מידע קוואנטי על שבב ושליטה בתכונות קוואנטיות בצורות אשר הן לחלוטין בלתי אפשריות בחומרים רגילים. הצעירים האלה עשו עבודה נהדרת בלוח זמנים קצר. התחרינו מול קבוצות מחקר גדולות מאוד מכל העולם והצלחנו לנצח.”

שני הסטודנטים, עדיין לא בני 30, הם חברים ותיקים שהשלימו במקביל תואר ראשון בטכניון – תומר בתוכנית המצוינים של הפקולטה לפיזיקה וארקדי במגמת האופטיקה בפקולטה להנדסת מכונות. בתום התואר הראשון הם המשיכו לתואר שני במעבדותיהם של פרופ’-מחקר שגב ושל פרופ’ חסמן, בהתאמה. במהלך לימודיהם לתואר השני הגו וערכו את המחקר הנוכחי.

המחקר נערך במרכז הקוואנטום למדע, חומרים והנדסה ע”ש הלן דילר בטכניון. שתי קבוצות המחקר קשורות למכון ראסל ברי למחקר בננוטכנולוגיה בטכניון (RBNI) ולשני החוקרים פרסומים קודמים רבים ב-Science.

פרופ’-מחקר מוטי שגב, חתן פרס ישראל לחקר הכימיה וחקר הפיזיקה לשנת תשע”ד- 2014, הוא ראש הקתדרה ע”ש ד”ר בוב שילמן בפקולטה לפיזיקה וממייסדי מרכז הקוואנטום למדע, חומרים והנדסה ע”ש הלן דילר בטכניון. פרופ’-מחקר שגב הוא חבר האקדמיה הלאומית הישראלית למדעים וחבר האקדמיה האמריקאית למדעים ולאמנויות.

פרופ’ ארז חסמן השלים דוקטורט במכון ויצמן ולאחר מכן עבד והוביל פיתוח במשך עשור בתעשייה האזרחית והביטחונית. ב-1998 התמנה לחבר סגל בפקולטה להנדסת מכונות בטכניון, הקים את המגמה להנדסה אופטית בפקולטה וכיום הוא עומד בראש המעבדה למיקרו וננואופטיקה וראש הקתדרה ע”ש שלזינגר. קבוצת המחקר שלו הניחה בשנת 2001 את היסודות לתחום המטא-משטחים האופטיים, הנחשב כיום לאחד התחומים החמים ביותר באופטיקה.

למאמר ב- Science