העולם הקוונטי לא כזה בדיד כפי שחשבנו ולכן אפשר להציל את החתול של שרדינגר

האם סוף סוף המאבק בין גדולי הפיזיקה הקוונטית, בוהר ושרדינגר, מגיע לפיתרון? חוקרים מאוניברסיטת ייל פרסמו לאחרונה בכתב העת המפורסם נייצ’ר מאמר המעיד כי קפיצה קוונטית דווקא רציפה כפי ששרדינגר טען ולא רגעית כפי שבוהר חשב

מערכות אטומיות בטבע מחביאות בתוכן תופעות דיסקרטיות שמקורן בתורת הקוונטים. דוגמא מפורסמת לכך מגיעה מספקטרום האור הנפלט מגופים לוהטים. אטומים מעוררים, או במילים אחרות אטומים שספגו אנרגיה, פולטים בצורה אקראית ובזמנים קצרים את האנרגיה שבלעו בחזרה לסביבה. אותה אנרגיה נפלטת במנות בדידות התואמות את רמות האנרגיה הדיסקרטיות של כל אטום. במשך שנים פיזיקאים ברחבי העולם ניסו לענות על השאלה האם ניתן לחזות מתי באטום יפלוט בחזרה את האנרגיה? האם ניתן לזהות סימנים מקדימים שיעידו לקראת שחרורה? בתחילת המאה ה-20 הפיזיקאים נמנו לשני מחנות – אלו שצידדו עם בוהר בטענה שהמעבר האנרגטי מתרחש במיידית, ומכאן מקור השם “קפיצה קוונטית” (בין רמות שונות של אנרגיה),

או עם תפיסתו של שרדינגר, שטען שמדובר במעבר רציף וקוהרנטי. במהלך השנים גדלה התמיכה בתפיסתו של שרדינגר וקיבלה חיזוק תיאורטי באמצעות “תאוריית המסילה הקוונטית”. הבעיה מתמטית דומה לבעיה הקלאסית של תחזיות צונאמי. מצד אחד קשה לחזות

לאורך זמן מתי הצונאמי הבא יכה את החוף, אבל קיימים סימנים מקדימים שעשויים להעיד האם ומתי הצונאמי יתרחש. לצד פיתוחים מתמטיים, נערכו מעט מאוד ניסיוניות למדוד קפיצה קוונטית במעבדה. הפעם הראשונה שנצפה במעבדה מעבר קוונטי בין רמות אנרגיה באטום היה בשנת 1986, אך לצערנו מערכות המדידה לא היו מספיק רגישות כדי לענות על השאלה האם מדובר בקפיצה רגעית או במעבר רציף.

כעת, כשעומדות לרשותנו טכנולוגיות רגישות, חוקרים מאוניברסיטת ייל החליטו לנסות לענות על שאלות יסודיות אלה. באמצעות על מוליך הם הרכיבו מערכת המדמה אטום עם שלוש רמות אנרגיה שונות. תחת מערכת ניסוי זו, החוקרים הצליחו להראות מעבר רציף וקוהרנטי בין רמות האנרגיה ולחזק את תאוריית המסילה הקוונטית. בנוסף, תחת פולסים חשמליים החוקרים הצליחו לעצור את התהליך לפני שהושלם ולהחזיר את אטום הדמה למצב המעורר.

אטום מדומה

לקורא הסקרן להלן שיטת המדידה בקווים כלליים: האטום המדומה מכיל שלוש רמות אנרגיה. רמות אלו כונו G [מהמילה קרקע באנגלית (רמת היסוד)], D [מהמילה חושך באנגלית], והרמה B  [מהמילה בהיר באנגלית גם כן]. הרמה הבהירה מכונה כך בזכות העובדה שעת המעבר ממנה למצב היסוד יפלט פוטון (חלקיק של אור) הניתן למדידה. מצב חשוך מכונה ככזה משום שלא ניתן לזהות אותו בצורה ישירה על ידי פליטת אור. כשהמערכת מאירה, החוקרים יודעים שקיים מעבר בין B ל-G. הייחודיות בניסוי זה מגיע מהעובדה שהנסיינים יכולים כעת למדוד פוטונים בודדים (באופן בלתי ישיר) שנפלטים מאטום הדמה. בעת המעבר המערכת “מודיעה”, כביכול, על מעבר באמצעות עמעום בעוצמת ההארה. ברגע שלא נצפו פוטונים, המערכת השלימה את המעבר למצב החשוך.

לטענת החוקרים מייל “אומנם קפיצות קוונטיות נראות רנדומליות ובדידות לאורך זמן, אך העובדה שניתן לתקן קפיצה שכזו משמעותה שההתפתחות הזמנית שלה מאופיינת, בצורה כלשהי, בחוקים דטרמיניסטיים. הקפיצה מתרחשת תמיד באותה הדרך, באותה תבנית”. החוקרים מוסיפים כי “התוצאה הניסיונית תשמש בסיס לשיטות טכנולוגיות שיכולות לשלוט במערכות קוונטיות ולתקן שגיאות במחשבים קוונטיים תוך כדי תנועה”. קפיצות קוונטיות לא רצוניות יכולות להעיד על טעויות חישוב. אם חוקרים יוכלו לזהות קפיצות שכאלה תוך כדי חי

שוב, תפתח דרך נוספת לבניית מחשבים קוונטים מרובי קיוביטים.

למאמר המדעי בנייצ’ר:

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1287-z

• עוד בנושא באתר הידען:
• לצלם את החתול של שרדינגר
• המודל הסטנדרטי ומעבר – כל מה שצריכים לדעת
• ‫איום קוונטי על תורת היחסות הפרטית