מדעני מכון ויצמן הוכיחו את קיומם של חלקיקים נייטרליים הנושאים אנרגיה. המשמעות: עוד צעד בדרך להוכחת היתכנותו של מחשב קוונטי
הגבול בין דמיון למדע נחצה רק כאשר רעיונות נבחנים ומוכחים בניסויים, מועלים עקב כך בדרגה, והופכים לתפיסה המדעית המקובלת בתחומיהם. כך, בסיועם של מדעני מכון ויצמן למדע, חצו את הגבול הזה, בעבר, “חלקיקים מדומים”. עכשיו הצליחו פרופ’ מוטי הייבלום ושותפיו למחקר מהמחלקה לפיסיקה של חומר מעובה במכון, לראשונה בעולם, להוכיח את קיומם של זרמי אנרגיה הנישאים על-ידי חלקיקים חסרי מטען חשמלי. הוכחה זו מהווה צעד משמעותי במסע הארוך לפיתוחם של מחשבים קוונטיים.
צעד ראשון: חלקיקים מדומים
הכל התחיל בשנת 1982, כאשר הפיסיקאי האמריקאי רוברט לפלין הציע הסבר לתופעה מסוימת (תופעת הול הקוונטית השברית). הוא הציע, שבתנאי המדידה נוצרים בזרם החשמלי מעין מבנים של אלקטרונים המתפקדים כ”חלקיקים מדומים”, שכל אחד מהם נושא מטען חשמלי הקטן ממטענו ה”בסיסי” של אלקטרון בודד: שליש ממטען האלקטרון, חמישית ממנו, שביעית ממנו, ואף חלקים קטנים יותר (השם “חלקיקים מדומים” לא צריך להטעות. מכל בחינה מעשית, החלקיקים הללו מתנהגים כחלקיקים אמיתיים לחלוטין). ההוכחה הראשונה לנכונות התיאוריה של לפלין סופקה על-ידי חברי קבוצת המחקר של פרופ’ מוטי הייבלום מהמחלקה לפיסיקה של חומר מעובה במכון ויצמן למדע. הוכחה זו מילאה תפקיד חשוב בהחלטה להעניק לרוברט לפלין, להורסט סטורמר ולדניאל טסואי פרס נובל בפיסיקה לשנת 1998 (על גילוי ומציאת ההסבר לתופעת הול הקוונטית השברית).
צעד שני: סוג חדש של חלקיקים מדומים
השלב הבא בפלישתם של חלקיקים מדומים לתפיסת העולם שלנו התחולל כאשר ניסויים שבהם נבחנה תופעת הול הקוונטית השברית בתנאים טהורים יותר הצביעו על אפשרות קיומם של חלקיקים מדומים מסוג שונה לחלוטין: כאלה שהמטען החשמלי שלהם יהיה שווה לרבע ממטען האלקטרון (כלומר, המטען השברי הוא, במקרה זה, בעל מכנה זוגי – שלא כמו בחלקיקים המדומים שהציע לפלין, שהמכנה של המטען השברי שלהם הוא אי-זוגי). פרופ’ הייבלום וחברי קבוצת המחקר שלו הוכיחו גם את קיומם של החלקיקים המדומים האלה, והצליחו למדוד את מטענם החשמלי, השווה לרבע ממטען האלקטרון.
צעד שלישי: משיכה ודחייה
באופן כללי, במערכת שבה מתחוללת תופעת הול קוונטית ממקמים אלקטרונים במערכת דו-ממדית (משטח), הנתונה להשפעה של שדה מגנטי חזק. כאשר מזרימים אלקטרונים במערכת זו, כל אלקטרון בודד “שואף” להמשיך ולנוע ישר – אבל השדה המגנטי הפועל על המערכת מטה את מסלולו. כאשר הטיית השדה המגנטי מתאזנת אל מול כוחות הדחייה של האלקטרונים הדוחים זה את זה (בשל העובדה שלכולם מטען חשמלי שלילי), האלקטרונים ה”חדשים” המצטרפים למערכת ימשיכו לנוע בה בקו ישר, על-אף “ניסיונותיו” של השדה המגנטי להטות את מסלולם.
בעוד שהחלקיקים המדומים נעים בכיוון אחד, יש מקרים שבהם התיאוריה שהציעו מספר מדענים כללה תחזית כי חלקיקים מדומים אחרים, שאינם נושאים מטען חשמלי, אלא רק אנרגיה, ינועו בכיוון הפוך. תחזית זו עלתה כבר בשנות ה-90 של המאה הקודמת, אך עקב הקושי למדוד חלקיקים נייטרליים כאלה, קיומם לא הוכח עד למחקר העכשווי שביצעו חברי קבוצת המחקר של פרופ’ הייבלום.
צעד רביעי: מודדים רעש
כדי למדוד ולהוכיח את קיומם של החלקיקים המדומים הנייטרליים, נושאי האנרגיה, בנו המדענים מערכת ניסוי ייחודית שבה הניחו מחסום קוונטי עביר-למחצה על דרכם של החלקיקים האלה. החלקיקים הנייטרליים שהתנגשו במחסום התנפצו וקיבלו מטענים חשמליים חיוביים ושליליים (בהתפלגות אקראית). כך נוצר זרם לא אחיד. התנועה הלא סדירה יצרה רעש חשמלי (ללא זרם ממוצע חשמלי). רעש חשמלי זה נמדד באמצעות מכשירי מדידה רגישים במיוחד. כך הצליחו המדענים להוכיח את קיומם של החלקיקים המדומים הנייטרליים, נושאי האנרגיה.
גילוי החלקיקים הייחודיים האלה סיפק מידע חדש על המצב הקוונטי של המערכת, ולמעשה פתח שדה מחקר חדש שמתמקד בזרימתם של זרמי אנרגיה. למשל, קיומם של זרמי אנרגיה במערכת שבה מתחוללת תופעת הול הקוונטית השברית, שבה נוצרים חלקיקים מדומים בעלי מטען השווה לרבע ממטען האלקטרון, עשוי להצביע על כך שהמערכת מצויה במצב קוונטי לא אבלי (ראו מסגרת), דבר שמשמעותו היא, שמערכת כזאת עשויה לשמש ביט קוונטי, שעליו יוכלו להתבסס מחשבים קוונטיים.
אפשרות חישוב זו עולה מהעובדה, שבמערכת כזאת מתחוללת תופעה חדשה: החלפת מיקומיהם של שני חלקיקים מדומים מעבירה את המערכת כולה למצב קוונטי שונה. היכולת לחולל הבדל מהותי כזה במערכת הוא זה שעשוי לאפשר למערכת זו לתפקד כביט קוונטי, שעשוי לשמש בסיס לפיתוח מחשב קוונטי.
חבורה אבלית
נילס הנרי אבל נולד בשנת 1803 בנורווגיה, כבנו של כומר עני. הוא לא זכה להכרה הראויה בחייו, ורק לאחר מותו משחפת בגיל 26 התפרסם, בין היתר, בזכות הגדרת סוג של חבורות הנושא את שמו (“חבורות אבליות”). חבורה אבלית מקיימת חילוף סימטרי בין מערכי הכפלה של חבריה. כלומר: התוצאה שתתקבל מהכפלת אל”ף בבי”ת שווה לתוצאה שמתקבלת כאשר מכפילים בי”ת באל”ף.
14 תגובות
כתבה לא מובנת
המאמרים המדעיים של פרופ’ הייבלום.
באדיבות מכון ויצמן
http://www.nature.com/nature/journal/v466/n7306/pdf/nature09277.pdf
http://www.nature.com/nature/journal/v466/n7306/pdf/466572a.pdf
ראשית תורת הקוונטים היא אחת מהתאוריות המדעיות המתאימה לניסויים בצורה מדהימה. אינספור ניסויים אוששו את תורת הקוונטים ולא נמצא שום ניסוי המפריך אותה (כמובן). כאשר כתבתי כי לא הצליחו
לבנות עד היום מחשב קוונטי דברתי על מחשב המסוגל לבצע חישוב מורכב. יש היום במעבדות ברחבי העולם מחשבים קוונטיים המכילים כ-10 ביטים קוונטיים (קיוביטים). מערכות אילו מסוגלות לבצע חישובים פשוטים לפי האלגורתמים הקוונטיים ובכך מדובר בהצלחה כבירה. הבעיה כמו בהרבה מקרים היא להגדיל את המערכת בכמה סדרי גודל. הרבה רעיונות יפים נפלו כי לא הצליחו להוציא אותם מהמעבדה לפס ייצור המוני. לגבי מחשב קוונטי לא ברור כי זו השאלה שכן עדיין לא הצליחו לייצר אותו גם במעבדה באופן משכנע. פרופ’ דורית אהרונוב אחת מהמדעניות המובילות בעולם בתחום המחשוב הקוונטי
טוענת כי היחס לו זוכה המחשב הקוונטי דומה ליחס בו זכו ראשוני מפתחי המחשבים.
לא מצליחים ולא יצליחו לבנות מחשב קוונטי מכיוון שתורת הקוונטים שגויה מיסודה.
דניאל,
מחשב קוונטי הינו מכונת חישוב המבוססת על העקרונות של תורת הקוונטים. תאורטית הראו כי מחשב כזה יוכל להגביר פי עשרות מונים את מהירות החישוב עבור בעיות מסויימות בפרט הבעיה המורכבת של פירוק מספר לגורמים הראשוניים שלו (מורכבות בעיה זו מהווה את הביסוס לשיטות הצפנה נפוצות). מבחינת המבנה שלו מחשב קוונטי יורכב מביטים קוונטיים (קיוביטים) שבעוד שביט במחשב רגיל יכול לקבל את הערכים 0 או 1 שהם הייצוג של מצבים פיסיקלםי: לדוגמא זרם בכוון השעון במעגל זרם יכול לייצג את הערך 0 וזרם בכוון השני את הערך 1. במחשב קוונטי קיוביט יכול להמצא בכל סופרפוזציה (מנורמלת שלהם) לשם המחשה צירוף בו זמני בלולאה של זרם בכוון השעון וזרם הפוך כל אחד בעוצמה שונה.
כרגע מחשב קוונטי הינו בגדר חזון בלבד כי למרות שהושקעו מאמצים רבים בניסיון לבנות מערכת פיסיקלית שתייצג אותו המאמצים עד כה נחלו כישלון. הסיבה לקושי לייצר מחשב קוונטי במעבדה היא הרגישות שלו לרעש הנובע מאינטראקציה עם הסביבה.
לגבי ה”חלקיקים החדשים” אין להם שום קשר לחומר האפל או לאנרגיה אפלה מדובר סך הכל באקסיטציות קולקטיביות המתרחשות במערכות בהן האינטראקציה בין האלקטרונים היא חזקה ולא ניתנת להזנחה. במובן זה לא מדובר בחלקיקים אמיתיים. במערכות כאלה לרוב האקסיטציות הקולקטיביות מתנהגות כמו חלקיקים ללא אינטראקציה או בעלי אינטראקציה חלשה.
מבחינה פיסקלית זאת נראית לי תגלית חשובה אבל אני לא מבין למה מתמקדים בסוף הכתבה ביישומים אפשריים שלה ולא בחשיבות התגלית עצמה
פירטי הניסוי לא ברורים מהמאמר למרות החשיבות.
למה אין קישור?
מטענים שליליים נעים למעלה. שדה מגנטי מופעל פנימה לתוך הדף. כוח לורנץ פועל על מטען שמאלה. מטענים מתחילים להצטבר בצד שמאל (הם לא מצטברים במובן שהם יושבים שם, אלא שהמסלול שלהם נהיה עקום ובמקום ללכת ישר הוא מוטה שמאלה, כך שבצד שמאל עוברים יותר מטענים מאשר באמצע או בצד ימין), נוצר מטען שלילי בצד שמאל (וחיובי בימין), על מטען חדש שנכנס לתווך באמצע פועלים שני כוחות מנוגדים – שמאלה לורנץ, ימינה דחיה של מטענים שליליים שהצטברו בצד שמאל, שמאזנים זה את זה.
עדיין, איך דחייה חשמלית מבטלת את כוח לורנץ?
הידען: פספסת את כוח לורנץ (כוח שפועל על מטען בשדה מגנטי בניצב לכוון התקדמותו ולכוון השדה המגנטי) – (F=q(v x B
מה זה מחשב קוואנטים?
בכתבה, ‘צעד שלישי’ כתוב: האלקטרונים ה”חדשים” המצטרפים למערכת ימשיכו לנוע בה בקו ישר, על-אף “ניסיונותיו” של השדה המגנטי להטות את מסלולם.
אותם האלקטרונים מגלים אופי של הסוליטון ההוא-לא-זוכר-איך-נקרא-החדש-שהתגלה-לפני-כמה-חודשים והיתה-עליו-כתבה-כאן-באתר.
בכל אופן, החלקיקים האלה אינם מגיבים לגרבטציה ועל כן הם חייבים להיות חלקיקי האנרגיה האפלה.
אני לא מבין, שדה מגנטי אמור להפעיל כוח בכיוון שונה עבור אלקטרונים במצב ספין שונה. כוח הדחייה החשמלי פועל על כל אלקטרון ולא משנה מצב הספין שלו. השאלה שלי היא איך יכול להיות שהכוחות האלו מבטלים אחד את השני? אולי פספסתי משהו?
אני לא מבין, שדה מגנטי אמור להפעיל כוח בכיוון שונה עבור אלקטרונים במצב ספין שונה. כוח הדחייה החשמלי פועל על כל אלקטרון ולא משנה מצב הספין שלו. השאלה שלי היא איך יכול להיות שהכוחות האלו מבטלים אחד את השני?