בין פוטון לאטום: הפיתוח הישראלי לתקשורת קוונטית

אנחנו לא יודעים איך ייראה מחשב קוונטי, ואיך בדיוק הוא יפעל, אבל בכל זאת, מחשב כזה הוא מעין גביע קדוש שעומד במרכז שאיפותיהם של מדענים במעבדות רבות בעולם. התועלת שאפשר יהיה להפיק ממחשב כזה היא כה גדולה, עד שהיא מצדיקה את המאמץ ואת ההתמודדות עם חוסר הוודאות. מחשבים קוונטיים יוכלו לבצע חישובים שאי-אפשר לבצעם במחשבים רגילים, כגון פירוק מספר גדול מאוד, שנוצר כמכפלה של שני מספרים ראשוניים, למרכיביו. יכולת כזו משמעה אפשרות לפצח מידע המוצפן במערכות ההצפנה הנפוצות והאמינות ביותר הקיימות כיום, ואשר משמשות לתקשורת כלכלית, ביטחונית ופרטית.

יתרונו הגדול של המחשב הקוונטי, והקושי בבנייתו, נובעים מההבדל המהותי בין ביטים של מחשב רגיל לבין ביטים קוונטיים. ביט רגיל הוא מעין מתג הנמצא בכל רגע נתון במצב אחד מתוך שני מצבים אפשריים (למשל, "כבוי" ו"מופעל"), שאפשר לתארם בספרות אפס (0) ואחד (1), בהתאמה. לעומת זאת, ביט קוונטי ("קיוביט") יכול להימצא בעת ובעונה אחת גם ב"אפס" וגם ב"אחד" (מצב הקרוי "סופרפוזיציה") - או בכל שילוב אחר של שני המצבים. לכן הוא יוכל לבצע חישובים רבים במקביל.

היכולת הזאת נובעת מאחת מהתכונות הבסיסיות שתורת הקוונטים מייחסת לחומר ולאור כאחד: הקיום הכפול כחלקיקים וכגלים. בעולמם של הדברים הגדולים שולטת הפיסיקה הקלאסית, שלפיה נדמה שעצמים ממוקמים במקומות מוגדרים. אבל בעולמם של הדברים הקטנים, כמו אטומים ופוטונים (חלקיקי אור), חושפת תורת הקוונטים את הצד המפתיע והמוזר של הטבע: הכל, גם חלקיקים, נשלט על-ידי גלים שיכולים להימצא בעת ובעונה אחת בכמה מקומות.

קח ותן: שער לוגי קוונטי בין פוטון לאטום, אילוסטרציה(צילום: מתוך "מסע הקסם המדעי")

כך למשל, אטומים, אלקטרונים ופוטונים יכולים לנוע בעת ובעונה אחת במספר מסלולים אפשריים - כל עוד שום גורם אינו מתבונן בהם או מודד אותם. ברגע שמישהו או משהו צופה בהם - הקיום הכפול (המקבילי) קורס, והיקום "בוחר" מסלול אחד בלבד. זוהי, במובן מסוים, תמצית הקושי בבנייתו של ביט קוונטי. מצד אחד אנחנו רוצים ליהנות מהמקביליות שבקיומו, ולשם כך צריך לבודד אותו מכל מגע עם הסביבה. מצד שני, אם רוצים לשנות את מצבו (למשל, להפוך מצב "אפס" ל"אחד" ולהפך), או לבצע באמצעותו חישוב, חייבים לקיים איתו אינטראקציה, ואז הוא עלול לקרוס אל המופע החלקיקי שלו, ולאבד את תכונת הגל ואת הקיום המקבילי.

במעבדות שונות בעולם עובדים מדענים על פיתוחם של ביטים קוונטיים מסוגים שונים. חברות אחדות אפילו הכריזו שעלה בידיהן לפתח מערכות שכוללות כמה עשרות ביטים כאלה. אבל כדי לפתח מחשב קוונטי שיוכל לפתור בעיות שמחשבים רגילים אינם יכולים לפתור, יש צורך במיליוני ביטים קוונטיים, שינהלו ביניהם תקשורת ענפה. תקשורת קוונטית בין מערכות שונות משמעותה, כמעט בהכרח, ״תרגום״ הקיוביט לדחף (פולס) אור של פוטון בודד, אשר יכול להישלח בסיב אופטי מקבוצת קיוביטים אחת לאחרת. פיתוח תקשורת כזו הוא אתגר מדעי וטכנולוגי קשה אשר מהווה את אחד מצווארי הבקבוק העיקריים בדרך להגדלתן של מערכות החישוב הקוונטיות הקיימות כיום.

מעבדתו של פרופ' ברק דיין במכון ויצמן למדע, היא אחת מהמעבדות הבודדות בעולם אשר הוקמו במטרה לפתח ולמצוא פתרון לאתגר הזה. מדעני המעבדה הזאת ביצעו באחרונה צעד משמעותי בדרך לפיתוח מערכת תקשורת כזאת. "עוצמת החישוב של מחשב קוונטי, נובעת מכך שהוא מפעיל באותו זמן קיוביטים רבים, שכל אחד מהם מצוי במצב של סופרפוזיציה - והם מנהלים ביניהם תקשורת", אומר פרופ' דיין. כדי לקדם את האפשרות הזאת, פיתחו פרופ' דיין וחברי קבוצתו, במחקר קודם, דרך שמאפשרת "לתלוש" פוטון בודד מתוך הבזק אור. להדגמה זו נודעת משמעות רבה שכן פוטונים בודדים צפויים להוות את עמוד השדרה של מערכות עתידיות של תקשורת קוונטית.

פרופ' ברק דיין (במרכז) וחברי המעבדה שלו (מימין לשמאל): ד"ר אדריאן בורנה, אורי מור, זיו אקוע, מורן נצר, טל אוחנה, ניב דרוקר, דור קורן וגבי גנדלמן(צילום: מתוך "מסע הקסם המדעי")

במחקר החדש אשר מתפרסם בגיליון הנוכחי של כתב-העת המדעי Nature Physics, הצליחו פרופ' דיין וחברי קבוצתו ליצור - לראשונה - שער לוגי אשר מאפשר לפוטון ואטום להחליף ביניהם את המידע (הקיוביט) אשר הם נושאים.

"בניסוי הדגמנו איך אפשר לשגר פוטון בודד הנושא מסר, כלומר קיוביט, אחד", אומר פרופ' דיין, "וברגע שהוא מגיע לקיוביט חומרי - שבמקרה שלנו הוא אטום - הוא מעביר לו באופן אוטומטי את המידע שהוא נושא, ובמקומו לוקח את המידע שהיה שמור באטום, וממשיך בדרכו. כלומר זהו תהליך סימולטני ואוטומטי של קריאה וכתיבה - שהיא הדרך היחידה שמתירה תורת הקוונטים, שבה אסור לשכפל או למחוק מידע, אלא רק להעבירו ממקום למקום״.

מערכת זו, שהיא בעצם השער הלוגי "החלף" (SWAP) בין פוטון ואטום, היא ההדגמה הראשונה בעולם של שער כזה, שהוא הבסיס הטבעי ביותר לתקשורת קוונטית יעילה. מפני שהשער קורה באופן פסיבי ואוטומטי אין צורך לנהל אותו מבחוץ, ולכן הוא מתאים במיוחד ליצירת רשתות תקשורת קוונטית גדולות - מעין מקבילה קוונטית של מעגלים דיגיטליים (VLSI). "מכיוון שהשער שהדגמנו רלוונטי לתקשורת פוטונית בין כל הסוגים של קיוביטים חומריים, ולא רק בין אטומים", אומר פרופ׳ דיין, "אנחנו מקווים ומאמינים שהוא ינוצל באופן נרחב בדור הבא של מערכות החישוב הקוונטיות בעולם".