בחזרה להתחלה: הד קוונטי במולקולה בודדת

ים מלחך את כף רגלך

ובצמתך שוב תשחק הרוח

ותזמר את שמך.

ישיקו הכנפיים

ונותר רק הד קולך.

("רק הד קולך", מלים: איתן פרץ, לחן: נחום היימן. הביצוע המוכר ביותר: הפרברים).

אפשר להתחיל את הסיפור כך: קבוצת רצים יוצאת לדרך באותו זמן (על-פי קול יריית אקדחו של המזניק). מטבע הדברים, כל אחד מהם רץ בקצב שונה מזה של חבריו, כך שכעבור זמן מה נפתחים פערים ביניהם ונראה כאילו הם מפוזרים אקראית סביב מסלול הריצה. עכשיו, נניח שהמזניק יורה שוב, וברגע זה, כל הרצים מתחילים לרוץ בכיוון ההפוך - בדיוק באותו קצב שבו רצו קדימה. הדעת נותנת שכעבור זמן מה הם כולם יחזרו לקו ההתחלה בדיוק באותו זמן. בדיקה אם כולם אכן הגיעו בחזרה, תספק מידע על אירועים (אינטראקציות) אשר אולי קרו לרצים במהלך ריצתם ומנעו מהם להשלים את המשימה. תופעה כזאת לא יכולה, כמובן, להתחולל בעולמם של רצים אנושיים, אבל כשהיא מתרחשת בעולם הקוונטי של פוטונים, או אלקטרונים, הפיסיקאים מכנים זאת "הד". מאז שארווין האן גילה את ה"הד" הראשון במערכות של ספינים (1950), התגלו עוד "הדים" רבים במערכות פיסיקליות שונות.

מימין: פרופ' איליה אברבוך, איליה טיוטיוניקוב ופרופ' יחיעם פריאור. תגלית מהדהדת(מסע הקסם המדעי, מכון ויצמן)

אבל אפשר גם להתחיל את הסיפור כך: בשנת 1801, ביצע הפיסיקאי האנגלי תומס יאנג ניסוי ששינה את פני הפיסיקה. בניסוי, שזכה לכינוי "ניסוי שני הסדקים", הוא שיגר קרן אור אל מחסום שבו נפערו שני סדקים. על לוח אחר, שהוצב מאחורי הלוח הראשון, התגלתה תצורה של התאבכות, שסיכמה ויכוח ארוך, והראתה באופן חד-משמעי שהאור מתפשט כגלים (אם כי יש לו גם מופע חלקיקי). במלים אחרות, האור הוא בעל אופי חלקיקי (פוטונים) ובעת ובעונה אחת הוא גם גל ש"נמצא בכל מקום".

עוד כתבות באתר מסע הקסם המדעי של מכון ויצמן למדע

המסע אל הקוטב

חלון אל המוח

זו, כמובן, תופעה שנצפתה במערכות שכללו הרבה מאוד פוטונים. ריצ'רד פיינמן, חתן פרס נובל בפיסיקה לשנת 1965, שאל: "מה יקרה אם נבצע את ניסוי שני הסדקים בחלקיק אור אחד או אלקטרון אחד בלבד? האם, באמת, הוא יעבור דרך שני הסדקים בעת ובעונה אחת (וכך יתאבך עם עצמו)?" פיינמן מיהר להשיב, ואמר שעל-אף שזו תופעה עיקרית בתורת הקוונטים, ממילא לא נצליח לבצע ניסוי כזה, כך שאין צורך לעצור את הנשימה בציפייה לתשובה. אבל, תחזיות מסוג "לעולם לא נצליח" מתבדות לא אחת בטווחי זמן בינוניים (שלא לדבר על טווחי זמן ארוכים). וכך, לפני כ-30 שנה הצליחו מדענים יפנים להראות בבירור שגם אלקטרון אחד ויחיד (כמו כוכב אחד לבד, שמעז, כמאמר שירו של נתן זך) אכן עובר בשני הסדקים, ומתנהג כגל.

"ניסוי שני הסדקים" של תומס יאנג. שינה את פני הפיסיקה

פרופ' איליה אברבוך, פרופ' יחיעם פריאור ותלמיד המחקר איליה טוטוניקוב מהמחלקה לפיסיקה כימית וביולוגית במכון ויצמן למדע, יחד עם שותפיהם מקבוצתו של פרופ' גְּ'ייֵן ווּ באוניברסיטת ECNU בשנחאי, סין, השתמשו בשיטות מדידה חדישות כדי לשלב את שתי ההתחלות, ולבחון אם אפשר ליצור תופעה של הד קוונטי בתוך מולקולה אחת יחידה.

כאשר מעוררים מולקולה באמצעות הבזק לייזר קצר מאוד, המולקולה מתנדנדת כמו קולן מכני המשמיע צליל כשמכים בו – תמיד את אותו הצליל, בעל תדירות המוגדרת על-פי התכונות המכניות והחומריות של הקולן. עוצמת הקול שמפיק הקולן (כלומר האנרגיה של התנודות שלו) יכולה להיות מותאמת באופן רציף באמצעות שינוי חוזק העירור. אבל כאשר מדובר במולקולות המתקיימות בעולם הקוונטי, המצב שונה. לפי חוקי תורת הקוונטים, רק אנרגיות עירור מסוימות "מותרות" (כלומר, אפשריות), וכמובן, האפשרויות האלה אינן קשורות לעירור הלייזר. כתוצאה מ"בעיטת" הלייזר, המולקולה תימצא באחד מהמצבים האלה, או בכמה מצבים בעת ובעונה אחת. תכונה מופלאה זו של מערכות קוונטיות מהווה את הבסיס לפיתוח עתידי של מחשבים קוונטיים.

הד קוונטי בתוך מולקולה אחת יחידה(מסע הקסם המדעי, מכון ויצמן)

אם מעוררים קבוצה של מצבים קוונטיים, המכונה "חבילת גלים", כל הגלים יתחילו להתנודד יחד, אך ממש כמו הרצים, כל אחד מן המצבים הקוונטיים האלה מתפתח בקצב שונה, וכך, לאחר זמן מה, המערכת תיראה אקראית לחלוטין. מדעני המכון הבינו את המערכת והניחו כי הבזק לייזר נוסף אשר יופעל על אותה מולקולה יוכל לגרום לכל המצבים הקוונטיים ("הרצים") לחזור ולהתאחד מחדש ובכך לייצר את ה"הד הקוונטי" המבוקש. במאמר שפורסם באחרונה בכתב-העת המדעי Nature Physics, הם מדווחים כי הצליחו להוכיח את הנחתם זו. באמצעות שיטות מדידה ייחודיות, המאפשרות מדידות של מולקולה יחידה, הם מדדו את הופעתו של ה"הד", כפי שהראו חישוביהם. ה"הד הקוונטי", שנמדד שונה מכל ה"הדים" אשר נצפו בשנים האחרונות: כל מחזור הפעילות שלו מתחולל במולקולה אחת ויחידה. כדי להבין את ההתנהגות של מולקולה יחידה, יש להשתמש בתכונותיה של תורת הקוונטים, ממש כמו בניסויים בהתאבכות של אלקטרון או פוטון יחיד, אלא שבניסויים ההם ההתאבכות התקיימה במרחב, ואילו כאן ההתאבכות מתחוללת בציר הזמן.

המדענים אומרים שאם השיטה החדשה תורחב למולקולות גדולות יותר, היא עשויה לאפשר, בעתיד, לחקור תהליכים מהירים המתחוללים בתוך מולקולה מבודדת אשר אינה נתונה להפרעות סביבתיות.