כשאטום ושני פוטונים נפגשים…

עולם המיחשוב, כך מבטיחים לנו מדענים ומומחים, ישתנה לחלוטין ביום שבו מחשבים קוונטיים יכנסו לפעולה ויחליפו את המחשבים ה”רגילים” של היום. ראיון עם ד”ר ברק דיין ממכון ויצמן, המקים במכון מעבדה חדשה לפיתוח התקנים קוונטיים מעשיים

מאת: יקי דיין*

עולם המיחשוב, כך מבטיחים לנו מדענים ומומחים, ישתנה לחלוטין ביום שבו מחשבים קוונטיים יכנסו לפעולה ויחליפו את המחשבים ה”רגילים” של היום. עולמנו כולו, כך הם חוזים, ישתנה לבלי הכר. אך בינתיים ההתקנים המייצרים שערים קונטיים בודדים (במכון מסוים הצליחו ליצור שער של 8 ביטים המבוסס על מיחשוב קוונטי) גדולים ומסורבלים ותופסים חדרים גדולים מלאי ציוד.

ד”ר ברק דיין, חוקר בכיר ממכון ויצמן למדע, מקווה שהמעבדה החדשה אותה הוא מקים במכון תוכל לפתח התקנים קוונטיים מעשיים, שיוכלו להביא לפריצת דרך ליישום המיחשוב הקוונטי. יש לברק על מה להסתמך. רק לפני מספר חודשים חזר משהות של שלוש שנים באחד המרכזים הבלתי-מעורערים של האופטיקה הקוונטית, בקמפוס היוקרתי של קלטק בלוס-אנג'לס, בהנהגתו של פרופסור ג'ף קמבל. במהלך שהותו שם הצליח ברק לסיים בהצלחה שני ניסויים ייחודיים שקידמו את הצד המעשי של האופטיקה הקוונטית ואף זכו להתפרסם בשני כתבי-עת מהיוקרתיים ביותר בתחום – “סאיינס” ו”נייצ'ר”.

“כשהתחלתי את עבודת הדוקטורט שלי במכון ויצמן למדע, חיפשתי לעשות משהו מעניין, מקורי, ובעל אופי יישומי” מספר דיין. “היה ברור לי שהכיוון הוא באופטיקה הקוונטית, שהיא חוד החנית במחקר הפיזיקה בימינו. בהתחלה, כמו כל חוקר, העליתי המון רעיונות מעניינים אבל לא נכונים, וכשכבר מצאתי רעיונות מעניינים שגם היו נכונים תיאורטית, ראיתי שכבר הם לא מקוריים – מישהו עשה אותם לפני, ושמו של ג'ף קימבל מקלטק עלה שוב ושוב כמי שכבר יישם רעיונות אלו. זה סיקרן אותי – מי זה המתחרה שלי שמשיג אותי כל הזמן?”. ההמשך היה ברור. עם סיום הדוקטורט שלו נסע דיין לקלטק כדי להמשיך במחקר בהנחייתו של אותו ג'ף קימבל אגדי.

כשביקרתי את ברק בקלטק לפני מספר שנים, קידמו את פני מדשאות מוריקות ומבנים מרשימים ויפי הוד. במרתף אחד המבנים, רחוק מאור היום עבדו דיין וצוותו על פיתוח של שבב סיליקון המאפשר ליצור אינטראקציה בין אטום בודד לפוטון בודד. בשונה מפיזיקאים החוקרים שטף של פוטונים (אור) או צבירים של אטומים, אוהבים חוקרים באופטיקה קוונטית להשתעשע עם אטום בודד או פוטון בודד. רק מספר מצומצם ביותר של מעבדות הצליחו להגיע להישג טכנולוגי של “כליאת” אטום בודד ולקרב אליו פוטון בודד כדי למדוד את יחסי הגומלין ביניהם. הפיתוח הראשון של דיין היה הישג טכנולוגי ראשון מסוגו בעולם של שימוש בהתקן סיליקון יחיד שיוצר בקלטק המאפשר אינטראקציה זו, ומחליף מכשור גדול ומסורבל. בעתיד, יכול פיתוח שכזה לעזור במיזעור הטכנולוגיה של מחשבים קונטיים. הישג זה זיכה את דיין וצוותו בפרסום בכתב העת היוקרתי “נייטשר” ב- 2006.

דיין היה נחוש להמשיך הלאה, ולהספיק עוד משהו לפני שיחזור חזרה לישראל. האתגר – לאפשר לפוטון אחד להשפיע על פוטון אחר. פוטונים בטבע לא משפיעים זה על זה. כשאנחנו מביטים במישהו אחר, רצף האור ביננו לא מופרע מאור שחוצה אותו בדרכו. הוא ניסה משהו אחר – להשתמש באטום בודד כדי להעביר מידע מפוטון אחד למישנהו וליצור תגובה ביניהם. ניסה – והצליח. “הצלחנו ליצור מצב בו פוטון בודד שעובר ליד אטום מאפשר לאטום ליצור חסימה שאורכת כמה מיליארדיות של שניה, שחוסמת מעבר של פוטון שבא אחריו. החשיפה הזו מופיעה לפרק זמן קצר ביותר ומאפשרת בפעם הראשונה לפוטון אחד להפריע למעברו של פוטון אחר, בתיווכו של האטום”. כדי להמחיש את התופעה לעמיתיו משתמש דיין בדוגמה שלקוחה מסדרת סרטים מצוירים פופולרית. זוכרים את אותו רואדראנר, ציפור המתחמקת תמיד משועל הערבות- הקיוטי – שמנסה לתפוס אותה? באחד מהסרטונים מצייר השועל פתח של מנהרה על צלע ההר. כשמגיע הרואדראנר הוא מצליח, להפתעת השועל, לעבור במנהרה. השועל המופתע מנסה אף הוא לעבור בציור – ונתקל בסלע.

“למה זה טוב? מה אפשר לעשות עם זה?” אני שואל. דיין מחייך. הוא רגיל לשאלה הזאת. תחשוב על עולם התקשורת של ימינו, המבוסס על העברה של מידע באמצעות אור בסיבים אופטיים. היום, כשמידע מתל-אביב לחיפה מגיע למתג בהרצליה, ציוד אלקטרוני צריך לווסת את התעבורה כדי שמידע שהגיע ממקום אחר יוכל להצטרף או לעבור באותו תווך. עולם התקשורת מנסה היום להגיע למיתוג המבוסס כולו על אופטיקה. תחשוב על היום, הוא מתלהב, בו הפוטונים שמגיעים מתל-אביב יוכלו לאותת לפוטונים האחרים “חכו רגע, אנחנו עוברים”. המעבר ממעבדת הניסוי ליישום בתקשורת עדיין רחוק, אבל פריצת דרך זו הביאה לפרסום בכתב-עת יוקרתי אף יותר, “סאיינס”, באפריל 2008.

עם השלמת הניסוי עזב דיין סוף סוף את קלטק וחזר למכון ויצמן למדע כדי להקים בה מעבדה באופטיקה קוונטית הממשיכה לחקור ולנסות לפתח התקנים מעשיים נוספים. דיין מאמין שמספר המעבדות בעולם בעלות טכנולוגיה דומה קטן מאצבעות יד אחת. “אז מה הכיוון הלאה?” . “עבורי, האתגר הבא הינו למצוא דרך מעשית לגלות שהינה, עבר כאן פוטון, מבלי להרוס אותו” עונה דיין. היום, אנחנו יודעים שפוטון עבר על ידי עצירתו. למה הדבר דומה? שנשים קיר בטון באמצע הכביש, וכשמכונית תתנגש בו ותתרסק נגיד – הנה, גילינו שעברה פה מכונית. היום אנחנו יודעים שאור עובר על ידי חסימת הפוטונים וקליטת האנרגיה שנפלטת בעצירתם. “אני יודע מה אני רוצה לגלות, אבל אני לא יודע עדיין איך לעשות את זה” מסכם דיין, “אבל כשנצליח לפתח את זה יהיו לזה יישומים מרתקים”.

נכתב במסגרת הקורס “מדע בתקשורת” בטכניון