טלפורטציה קוואנטית עושה צעד קדימה

שתי קבוצות פיסיקאים, האחת מאוסטריה והשנייה מארצות הברית, הצליחו לראשונה לעשות טלפורטציה לאטומים. עד עתה טלפורטציה נראתה רק בפוטונים. התוצאות עשויות להיות צעד עצום לכיוון בניית מחשב קוואנטי בגודל מקרוסקופי.

טלפורטציה קוואנטית: בשלב הראשון יוצרים שני יונים מצומדים (A ו-B), ולאחר מכן יוצרים יון שלישי (P) במצב, לו רוצים לעשות טלפורטציה. בשלב השלישי A ו-P ישנה אינטראקציה בין A ו-P, ואת תוצאותיה שולחים ליון B. לסיכום, המצב של P נשלח ל-B.

שתי קבוצות פיסיקאים, האחת מאוסטריה והשנייה מארצות הברית, הצליחו לראשונה לעשות טלפורטציה לאטומים. עד עתה טלפורטציה נראתה רק בפוטונים. התוצאות עשויות להיות צעד עצום לכיוון בניית מחשב קוואנטי בגודל מקרוסקופי.

בטלפורטציה קוואנטית, השולח, שמכונה בדרך כלל "אליס", מעביר בן רגע מידע על מצבו הקוואנטי של חלקיק למקבל, המכונה בדרך כלל "בוב". עיקרון אי הוודאות מגביל את יכולתה של אליס לדעת את מצבו הקוואנטי המדויק של החלקיק שלה, אולם תופעה אחרת של מכניקת הקוואנטים, שנקראת צימוד (entanglement), מאפשרת לה לשלוח את המצב הקוואנטי לבוב.

הצימוד מאפשר לשני חלקיקים להיות קשורים זה לזה בקשר הדוק בהרבה משמאפשרת הפיסיקה הקלאסית. אם שני חלקיקים מצומדים זה לזה, ניתן לקבוע את מצבו של אחד על ידי מדידתו של השני. לדוגמא, שני חלקיקים עשויים להיות מצומדים, כך שהספין של אחד מהם הוא "מטה" ושל השני "מעלה" או הפוך. תופעה נוספת במכניקת הקוואנטים מאפשרת לחלקיק להיות בסופרפוזיציה בשני המצבים האלה בו זמנית.

דיוויד ווינלנד (David Wineland) ועמיתיו מהמכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה (NIST) בקולורדו החלו את משימתם ביצירת יון בריליום בודד וכלוא, שנמצא בסופרפוזיציה של ספין מעלה ומטה בו זמנית. לאחר מכן נעזרו בלייזרים על מנת לשגר את המצבים הקוואנטים האלה ליון שני בעזרתו של יון מסייע שלישי (ראו תרשים). השיטה של NIST התבססה על היכולת להניע את היונים הכלואים.

ריינר בלט (Rainer Blatt) ועמיתיו מאוניברסיטת אינסברוק בצעו ניסוי דומה בעזרת יוני סידן כלואים. ואולם, במקום להזיז את היונים הם "החביאו" אותם במצבים פנימיים שונים.

הצלחתו של ניסוי בטלפורטציה נמדדת ערך האמינות שלה, מספר, המראה באיזו מידה של דיוק שוחזרה המערכת הקוואנטית הראשונה בשנייה. שתי הקבוצות, מ-NIST ומאינסברוק, השיגו ערך אמינות של כ-75%. לשם השוואה, שיטות טלפורטציה, שאינן משתמשות בצימוד, אינן יכולות להגיע לערך אמינות גבוה מ-66.6%.

"הצלחה בטלפורטציה של המצב הקוואנטי של אטום היא חשובה ומלהיבה למטרות של בניית מחשבים קוואנטים בגודל מקרוסקופי," אמר בלט ל-Physics Web. "ניתן ליישם את השיטה לעיבוד קוואנטי של מידע בשילוב עם מערכת ממשק כלשהי, שאופייה ובנייתה עדיין נחקרים, לקישור בין רכיבים שונים במחשב קוואנטי."

תרגום: דיקלה אורן


העתיד הסופר – מהיר של המחשבים

אחד המדענים שהשתתפו בניסוי פורץ הדרך לשיגור טלקינטי בסגנון מלחמת הכוכבים (Teleporting) מעריך כי בשנת 2035 יפעלו מחשבים קוואנטיים אולטרה – מהירים. "חוק מור קובע כי מדי 18 חודשים יוכפלו הזיכרון, המהירות ומאפייני ביצועים נוספים של המחשבים" מסביר ד"ר פינג קוי לאם. "בעוד מספר שנים ימוזערו הטרנזיסטורים עד לגודל של אטומים בודדים ואז יהיה עלינו להתמודד מול התיאוריה הקוואנטית".

ד"ר לאם, פיזיקאי אוסטרלי, יחד עם עמיתו מהאוניברסיטה הלאומית של אוסטרליה וורוויק בואודן, ביצעו בשנת 2002 פריצת דרך בחקר קרני האור. בניסוי שערכו הם הצליחו להעלים קרן אור ולהחזיר אותה, בתהליך המכונה "הסתבכות". מאז שנת 1998, בה הוכח כי הדבר אפשרי, התנהל המרוץ לשיגור טלקינטי של קרן אור ב- 40 מעבדות שונות. בעקבות הצלחתם זכו בואודן וד"ר לאם בהכרה עולמית ובפרס מהקונסול הבריטי, שכלל גם נסיעה (במטוס ולא על קרני האור) לבריטניה, בה שיתפו את סודותיהם עם מדענים נוספים.

"לניסוי שלנו לכשעצמו אין שום משמעות מעשית עבור האדם הפשוט" מצטנע ד"ר לאם. "אולם, המאמצים הבינלאומיים המשותפים עשויים להניב תוצאות משמעותיות". הפיזיקה הקוואנטית לא הניבה עד כה יישומים מעשיים רבים, אך "פיזיקאים רבים מאמינים שהמהפכה הקוואנטית קרובה". בטווח הארוך תוכל הפיזיקה הקוואנטית לתרום ליישומים רבים – מחיישנים רגישים במיוחד ועד מחשבים ותקשורת.

הממשלה והצבא ייהנו מתקשורת מאובטחת באמצעות הצפנה קוואנטית, בה המפתח בנוי מפוטונים בודדים. "ההצפנה הקוואנטית נמצאת כבר בשימוש" אומר ד"ר לאם, "אך עדיין לא זוכה לפופולאריות גבוהה. זה ישתנה בשנים הקרובות". בשנה האחרונה פיתח ד"ר לאם, בשיתוף עם המחלקה לאופטיקה קוואנטית של האוניברסיטה הלאומית של אוסטרליה, פרוטוקול תקשורת המכונה "סוד משותף (secret sharing)". פרוטוקול זה מציע יתרונות רבים לחברות, בנקים וכוחות ביטחון משום שבמסגרתו נשלח המידע הסודי לכמה גורמים ורק לאחר שאומתה הזהות של מרביתם ייחשף המידע.

אולם, מי שחולם על שיגור עצמי למקומות מרוחקים בסגנון ד"ר ספוק וסקוטי יתאכזב. "לפי שעה הנושא בחיתוליו וניתן לשגר רק נתונים" – כלומר דואר אלקטרוני ולא בני אדם. אולם, בעוד 30 שנה צפויה הפיזיקה הקוואנטית לפרוח, אומר ד"ר לאם "ואנשי טכנולוגיות המידע, מתמטיקאים ורופאים יידרשו לחשיבה מחודשת. בתמורה הם ייהנו ממחשבים קוואנטיים סופר – מהירים".
תרגום: בני רן


רגע אחד אתה כאן, ובאותו רגע – שם

מאת יצחק בן ישראל, הארץ, 28/6/04

מדענים הצליחו לבצע טלפורטציה של אטומים: "להעלים" אטום ולגרום להופעתו המיידית במקום אחר. באופן עקרוני זה יכול לעבוד גם עם בני אדם

בשבוע שעבר פורסם בכתב העת "Nature" כי שתי קבוצות של מדענים הצליחו לבצע טלפורטציה של אטום, כלומר להעביר את תכונותיו של אטום במעבדה לאטום אחר, מרוחק ממנו, בלא שהתכונות יעשו את הדרך שביניהם.

הטכנולוגיה המודרנית מספקת אמצעים רבים להעברת חפצים ואנשים ממקום למקום: מכוניות, רכבות, אוניות, מטוסים, חלליות וכדומה. ככל שהטכנולוגיה מתקדמת יותר, כך מתקצר זמן המעבר. האם אפשר לקצר אותו לאפס? האם אפשר למשל להעביר ספר מתל אביב לניו יורק במהירות גדולה יותר ממהירות מטוס הסילון? ממהירות החללית? למעשה, כבר היום אפשר להעביר ספר במהירות גדולה בהרבה, כמעט במהירות האור. ליתר דיוק, אין אנו מעבירים את החפץ עצמו (ספר) אלא את המידע הכלול בו. זאת ניתן לעשות על ידי סריקת הספר בתל אביב ושידור המידע הכלול בו בגלי רדיו (המתקדמים כידוע במהירות האור). בקצה השני (ניו יורק) ייקלט המידע, ואם נרצה בכך אף יודפס מיד בצורת הספר המקורי.

מבחינת הפיסיקה הקלאסית אין מניעה לחזור על תהליך זה עם כל "חפץ", לרבות בעלי חיים: כל מה שעלינו לעשות כדי "לשלוח" את חתול הבית התל אביבי שלנו לדודתנו בניו יורק אינו אלא לסרוק את מצב האטומים המרכיבים את החתול, לרשום את כל המידע הצפון בהם, לשגר את המידע הזה ברדיו לניו יורק, ולדאוג לכך שבקצה השני תימצא מכונה שתבנה חתול חדש מאטומים שיסופקו לה. אולם בכל מקרה, גם אם נצליח לעשות זאת, לא נוכל להעביר חפצים ממקום למקום במהירות הגדולה ממהירות האור.

האומנם? הפיסיקה המודרנית כופרת בהנחה הזאת, ולא מדובר בטענה תיאורטית גרידא אלא בטענה שנבחנה בניסוי: כאמור, המדענים במכון התקנים הלאומי האמריקאי בבולדר, קולורדו, ובאוניברסיטת אינסברוק באוסטריה הצליחו "להעלים" אטום ולגרום להופעתו המיידית במקום אחר ללא שעבר זמן בין היעלמותו של החפץ בנקודת "השיגור" ובין הופעתו ביעד. למי שזוכר את הסדרה "מסע בין כוכבים", יש כאן התגשמות של מה שעד לא מזמן היה בגדר מדע בדיוני.

איינשטיין או בוהר

כדי להבין מה קרה בניסוי, עלינו לחזור יותר מ-70 שנה אחורה, לרבע הראשון של המאה העשרים. הפיסיקה ידעה אז שתי מהפכות: תורת היחסות ותורת הקוונטים. הראשונה נולדה במוחו של הד"ר הצעיר אלברט איינשטיין; עם גיבוריה של המהפכה השנייה אפשר למנות, שוב, את איינשטיין, ולצדו את מקס פלאנק, ורנר הייזנברג, ארווין שרדינגר ובמיוחד נילס בוהר. פלאנק נתן את האות (שהקנה לו פרס נובל לפיסיקה) בהעלאת ההשערה שגוף חם אינו פולט אנרגיה באופן רציף אלא במנות ("קוונטים"). איינשטיין השתמש בכך כדי להסביר לראשונה את האפקט של היווצרות חשמל כאשר מאירים מתכת (ועל כך זכה בפרס נובל), בוהר היה הראשון (עוד נובל) שניסה להשתמש ברעיונות אלו כדי להסביר את מבנה האטום, ואילו הייזנברג ושרדינגר נתנו לתורת הקוונטים את צורתה המוכרת כיום (גם הם קיבלו אחר כך פרס נובל).

כבר מראשיתה התפתח ויכוח נוקב בין הפיסיקאים על המשמעות של תורת הקוונטים והדרך הנכונה לפרש אותה. הוויכוחים שהתנהלו בין בוהר מחד ובין אינשטיין מאידך הוכרעו ב"דעת הקהל" המדענית לטובת פרשנות הקבוצה של בוהר, הקרויה מאז "אסכולת קופנהגן".

בבסיסו זהו ויכוח מטאפיסי על טיבה של המציאות: הצדדים היריבים הסכימו ביניהם שתורת הקוונטים מתארת היטב את מה שניתן למדוד במעבדה. זאת ועוד, מאז ניסוחה לפני שלושת רבעי המאה ועד היום לא התגלתה אף תחזית שלה כשגויה. אבל מה נובע מהנחות היסוד שלה לגבי טבע המציאות?

כדי להדגים זאת, נתייחס לאטום בודד. לפי תורת הקוונטים לא ניתן לחזות בוודאות גם את מקומו וגם את מהירותו. אם נדע את הגודל האחד בדיוק מוחלט לא נדע דבר על השני. אנחנו יכולים לדעת את שניהם רק בערך (זוהי תמציתו של עקרון האי-ודאות של הייזנברג). אם כך, שאל בוהר, אם לעולם איננו יכולים לדעת את שניהם יחד, מי ערב לנו שהם אכן קיימים ביחד? אולי לאטום אין מקום בכלל והוא נוצר רק ברגע המדידה?

יתרה מכך, לפי בוהר לאטום יש "מקום" רק ביחס למערך ניסוי שנועד למדוד מקום, ויש לו "מהירות" רק ביחס למערך ניסוי שנועד למדוד מהירות. ומכיוון ששני מערכי ניסוי כאלה אינם יכולים להתקיים ביחד, אין לאטום "מקום" ו"מהירות" בו בזמן. בוהר ראה בכך הרחבה של תורת היחסות: המקום והמהירות (ולמעשה כל התכונות הדינמיות של גוף חומרי) הם גדלים יחסיים לא רק ביחס למערכת הצירים שבה מתבצעת המדידה, אלא ביחס לעולם כולו ובמיוחד למערך הניסוי.

כיום, בראייה לאחור, מתבלטים שני היריבים, איינשטיין ובוהר, כמי שהיטיבו מאחרים להבין את המשמעויות העמוקות של התורה החדשה. במאמר מפורסם שכתב איינשטיין ב-1935 יחד עם שני עמיתיו פודולסקי ורוזן, הוא טען כי המשמעות העמוקה של טענת בוהר היא כי תורת הקוונטים מתירה "פעולה מרחוק", כלומר כי אירוע המתרחש במקום אחד יכול להשפיע באופן מיידי על אירוע אחר – וזאת בניגוד למה שצפוי מעקרונות תורת היחסות. בתשובתו של בוהר למאמר הוא טען כי לא מדובר בהשפעה "מכנית" באמצעות כוח או שדה פיסיקלי כלשהו, אלא "בהשפעה על עצם התנאים הלוגיים המגדירים את סוג החיזויים האפשריים ביחס להתנהגות העתידית של המערכת" הנמדדת. הצבת מערך ניסוי מתאים משפיעה על תוצאות הניסוי ונראה לכן כאילו היא משפיעה "מרחוק".

עבור אינשטיין זה היה מספיק כדי להתייחס בחשדנות לפרשנות של בוהר, שאותה כינה בשם "פלפול תלמודי". הוא ציפה כי במשך הזמן יתגלה כי אינה נכונה. אבל ככל שחלפו השנים ותורת הקוונטים עמדה במבחן הניסוי, התהפך הגלגל: אולי גם בוהר וגם איינשטיין צדקו? אולי באמת אפשר להשפיע מרחוק?

מהפכה במחשוב

המהפך בא בעקבות עבודתו של הפיסיקאי האירי ג'ון בל שהראה ב-1962 דרך לבדוק זאת בניסוי. אגב, עבודתו של בל נשענת על הפיסיקאי דיוויד בוהם אשר נמלט בראשית שנות החמישים מציד המכשפות האנטי-קומוניסטי של הסנאטור מקארתי בארה"ב. בוהם שהה כמה שנים בטכניון, שם גילה יחד עם תלמידו הישראלי אהרונוב את אפקט בוהם-אהרונוב המתייחס גם הוא להשפעה "מרחוק".

כעשרים שנה אחרי בל, ב-1984, הצליחו אלאן אספקט וחבריו בסורבון לבצע לראשונה ניסוי שהוכיח כי פעולה מרחוק היא אפשרית. מכאן קצרה הדרך לטלפורטציה (Teleportation), כלומר לרעיון של העברת חפצים ממקום למקום באפס זמן. תחילה בוצעו ניסויים כאלו בחלקיקי אור (פוטונים), ועכשיו, כאמור, באטום.

חשוב להדגיש, כי מבחינת הפיסיקה הקוונטית אין הבדל בין אור וחומר, והניסויים בחלקיקי אור קלים יותר לביצוע (ב-1997 הודגמה אפילו טלפורטציה של חלקיקי אור למרחק של כ-10 ק"מ), אך לניסויים בגוף חומרי יש לפחות משקל פסיכולוגי לא מבוטל. עוד חשוב להדגיש, כי האטום בניסוי הטלפורטציה לא עבר את הדרך בין נקודת השיגור ליעד. הוא נעלם במקום אחד, ותכונותיו הופיעו אצל אטום אחר שהיה ביעד. מדובר איפוא בטלפורטציה של תכונות ולא של "חומר".

האם נוכל בעתיד לנסוע לארה"ב בדרך שהיתה חביבה על גיבורי "מסע בין כוכבים"? האם נוכל להיכנס לתא מיוחד בשדה התעופה בן גוריון ולהופיע מיד בשדה התעופה קנדי ללא איבוד זמן וללא ג'ט-לג?

בעיקרון התשובה חיובית, אולם ייתכן שיעבור עוד זמן רב מאוד עד שזה יהיה מעשי. הסיבה העיקרית לכך היא שגוף גדול (מאקרוסקופי) מונה מספר עצום של אטומים אשר כל אחד מהם מתנהג באופן שאינו תלוי כמעט באטומים האחרים. כדי שנוכל להעלים גוף כזה במקום אחד ולגרום לכך שכל תכונותיו יועתקו בשלמות לגוף הנמצא במקום אחר, יצטרכו כל האטומים שלו להתנהג באותה צורה. כדי לעשות זאת נצטרך לבודד את הגוף לחלוטין מהשפעות חיצוניות, כולל קרינה קוסמית, ומהשפעות פנימיות כולל התנגשויות בין האטומים בגוף ובין עצמם, וכיום אין לנו מושג כיצד לבצע זאת.

אם כך, האם לכל מה שתואר לעיל תהיה איזושהי השפעה בטווח הזמן הקרוב על חיינו? בהחלט כן. אפשר להשתמש באותה תופעה בדיוק על מנת לבצע במקביל חישובים רבים. המחשבים שאנו משתמשים בהם כיום מבוססים על מניפולציות בתנועות של אלקטרונים. אבל אם האלקטרון אינו "גוף" שמקומו מוגדר במדויק, ואפשר להעביר את המידע שהוא נושא למקום אחר באפס זמן, מה מונע מאתנו לבצע כמה חישובים במקביל?

כבר היום עובדות כמה קבוצות בעולם במרץ רב על יישום העיקרון הזה בטכנולוגיית המחשבים. יש כבר התקנים פרימיטיוויים המסוגלים לבצע חישובים מוגבלים. כשהמחשבים הקוונטיים הראשונים יופיעו בעולם המסחרי (יש המעריכים שהדבר יקרה 20-10 שנה מהיום), ייראו המחשבים הנוכחיים כפרימיטיוויים ביותר. לפי תחזיות מסוימות מהירות המחשבים שלנו כיום תהיה פחות ממיליארדית של מיליארדית של מחשבים אלו.

פרופ' בן ישראל הוא ראש "סדנת תל אביב למדע, טכנולוגיה וביטחון" באוניברסיטת תל אביב

הכתבה ב-Physics Web
לידיעה בבי.בי.סי

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

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.

דילוג לתוכן