בית הספר להנדסת חשמל ומחשבים באוניברסיטת תל אביב הודיע כי בשנת הלימודים הבאה, תשפ"ו, צפויה להיפתח מעבדת סטודנטים ראשונה מסוגה בישראל שתאפשר לסטודנטים להתנסות במחשב קוונטי כבר בתואר הראשון. המעבדה הינה פרי שיתוף פעולה של הפקולטה להנדסה והמרכז למדע וטכנולוגיה קוונטית, QuanTAU, באוניברסיטת תל אביב, ושל מרכז החישוב הקוונטי הישראלי, IQCC, הפועל בקמפוס האוניברסיטה. המיזם קיבל תמיכה כספית במסגרת הקול הקורא לעדכון ופיתוח קורסים ומקבצי קורסים בתחומי המדע והטכנולוגיה הקוונטים של הוועדה לתכנון ולתקצוב של המועצה להשכלה גבוהה (ות"ת). מטרת התמיכה הניתנת עבור פיתוח קורסים היא להרחיב ולקדם את ההכשרה לסטודנטים וחוקרים צעירים בנושאים אלו על מנת להכשיר כוח אדם מיומן למשק ולאקדמיה, ובפרט להרחיב את בסיס הסטודנטים הלומדים בתחום מחוץ למחלקות לפיסיקה גם אל מחלקות ההנדסה. 

ד"ר עופר כפיר מבית הספר להנדסת חשמל ומחשבים והמרכז האוניברסיטאי  ,QuanTAU   שיזם את המעבדה מסביר: "למחשבים קוונטים יש פוטנציאל לפתור בעיות שהמחשבים הקלאסיים אינם מסוגלים, ומכיוון שאלו בעיות חשובות כמו פיתוח תרופות ופיצוח צפנים, יש מרוץ עולמי להשיג יכולות חישוב קוונטי, ומימוש של טכנולוגיות קוונטיות באופן כללי. ביה"ס להנדסת חשמל ואוניברסיטת ת"א רואים חשיבות רבה בהכשרה של הסטודנטים בטכנולוגיה העילית העתידית, וזה מתיישב עם הרעב שיש אצל הסטודנטים להתפתחות בתחום הקוונטים".

בבית הספר להנדסת חשמל מציינים כי עד כה, התנסות פרקטית במחשוב קוונטי הייתה פתוחה רק בפני חוקרים וסטודנטים למתארים מתקדמים, אבל כעת סטודנטיות וסטודנטים באוניברסיטת תל אביב יוכלו להפעיל את המחשב הקוונטי כבר בתואר הראשון: מרמת כתיבת תוכנה עילית, ועד שליטה מפורטת באותות החשמליים של אבן הבניין הבסיסית שלו, הביט הקוונטי, או הקיוביט.

הקורס יכלול הכשרה בשפת התכנות המתאימה למחשב הקוונטי, מספר ניסויים בסיסיים בקיוביטים, ושני ניסויים בטכנולוגיות קוונטיות בתחומי תקשורת וחישה. פעילות המעבדה תחל כבר השנה, החל מאפריל 2025, בתור פיילוט כחלק מקורס "טכנולוגיות קוונטיות".  המעבדה מתוכננת להיות גמישה, כך שסטודנטים יוכלו להריץ ניסויים מעבר לדרישות המעבדה וכך לנצל את המשאבים הנדירים האלו כדי לבדוק, להתנסות, ולקבל רעיונות, באופן שלא קיים במקומות אחרים.

ד"ר עופר כפיר מוסיף: שילוב הכוחות של אוניברסיטת תל אביב עם המעבדה הלאומית לחישוב קוונטי שמפעילה חברת קוונטום משינס זה WINWIN קלאסי. הסטודנטים שלנו יקבלו הכשרה על קדמת הטכנולוגיה, ואילו צוות המעבדה ייהנה מהיצירתיות של הסטודנטים המעולים פה, ומהרצון שלהם ללמוד ולהתקדם. החזון הוא שהמעבדה החדשה, הממשק למרכז הקוונטים של האוניברסיטה, וכן המרכז למחשוב הקוונטי הארצי יאפשרו יצירת אקו-סיסטם של דור החוקרים, היזמים, והמהנדסים הבא שיצעיד את ישראל קדימה בתחרות העולמית. ואנחנו רוצים להודות לות"ת על הבעת האמון והתמיכה שמאפשרת את השקת המיזם החשוב".   

ד"ר ניר אלפסי, המעבדה הלאומית למחשוב קוונטי:  "המרכז הישראלי למחשוב קוונטי הוא מרכז ראשון מסוגו בעולם המשלב מספר טכנולוגיות קוונטיות בצמוד ליכולות מחשוב קלאסיות מתקדמות. היכולות הייחודיות שקיימות במרכז מאפשרות גישה קלה וישירה לטכנולוגיה הקוונטית המתקדמת ביותר באופן חסר תקדים, הכל בצורה אינטואיטיבית וקלה מאי פעם. המרכז, שהוקם על ידי חברת Quantum Machines במימון משותף עם רשות החדשנות, חרט על דגלו את קידום הטכנולוגיות הקוונטיות במדינת ישראל ומתן פלטפורמה להאצת המחקר והפיתוח של חברות וחוקרים ישראלים. כיום, אחד הפערים המשמעותיים ביותר בתחום המחשוב הקוונטי הוא כוח אדם מוכשר אשר יכול להניע קדימה את התחום. אנחנו מאמינים כי שיתוף הפעולה עם אוניברסיטת תל אביב בהכשרת הדור הבא של החוקרים והמפתחים הוא צעד ראשון בדרך לגישור על הפער הזה ומימוש חזון המרכז."

פרופ' ירון עוז, ראש המרכז למדע וטכנולוגיה קוונטית באוניברסיטת תל אביב: "המרוץ העולמי לבניית מחשבים קוונטיים, רשתות תקשורת קוונטיות ויישומים של מכניקת הקוונטים, הפך את הכשרת דור של מדענים ומהנדסים בתחומי המדע והטכנולוגיה הקוונטית לצורך לאומי. אוניברסיטת תל אביב משקיעה מאמצים ניכרים במענה לאתגר זה, וההתנסות המעשית במחשוב קוונטי היא נדבך חשוב בהכשרה זו. אני מעריך שבשנים הקרובות תתמקם מדינת ישראל היטב במפה העולמית של יישומים טכנולוגיים של מדע הקוונטים".

הפוסט התנסות יישומית במחשב קוונטי – כבר בתואר ראשון  הופיע לראשונה ב-Chiportal.

פריצת דרך טכנולוגית של אוניברסיטת תל אביב אפשרה לראשונה בעולם ליישם את תופעה  המדעית של "סופר החלקה" (super-lubricant) גם ברכיבים אלקטרוניים. כתוצאה מכך, צוות החוקרים הצליח לנצל את ההחלקה, נטולת החיכוך כדי לשפר משמעותית את ביצועי רכיבי הזיכרון במחשבים וברכיבים חשמליים אחרים.

המחקר נערך בהובלת ד"ר יונגקי יאו, יואב שרעבי, ד"ר נירמל רוי ונועם ראאב, כולם מצוות המעבדה של פרופ' משה בן שלום מבית הספר לפיזיקה באוניברסיטת תל אביב. המחקר פורסם לאחרונה בכתב העת היוקרתי Nature.

צוות החוקרים מסביר כי חיכוך הוא כוח שמונע החלקה חופשית בין משטחים. מצד אחד, הוא הכרחי – הוא מונע מאיתנו להחליק באמבטיה, למשל – אך מצד שני, הוא גורם לשחיקה ולאובדן אנרגיה. בגוף האדם, האבולוציה פיתחה חומרי סיכה מתקדמים למפרקים, אך גם הם נשחקים עם הזמן (כפי שהברכיים שלנו מזכירות לנו מדי פעם).

הבעיה חריפה במיוחד בעולם המחשוב. רכיבי זיכרון זעירים עובדים במהירויות עצומות – מיליוני מחזורים בשנייה, ומופעלים ללא הפסקה במחשבים, מערכות רפואה מתקדמות,  בינה מלאכותית  ועוד. כל שיפור ביעילות, בעמידות ובחיסכון האנרגטי שלהם מתורגם ישירות לקפיצות טכנולוגיות משמעותיות.

החוקרים מוסיפים ומסבירים הטבע "מצא" דרך ליצור משטחים חסרי חיכוך, תופעה המכונה "סיכתיות-על" (Superlubricity). כדי להבין את זה, דמיינו שני קרטוני ביצים (כמו באיור): כשהם מסודרים במדויק, הם נצמדים זה לזה, אך אם נסובב אחד מהם מעט – הם יחליקו בקלות. באופן דומה, כששכבות של חומרים אטומיים מוסטות מעט זו ביחס לזו, אטומי החומר אינם יכולים להסתנכרן, והחיכוך ביניהן נעלם כמעט לחלוטין. לפני כ-20 שנה, מדענים גילו שהחכוך בין שתי שכבות גרפיט מסובבות הוא כל כך קטן שאי אפשר למדוד אותו – תגלית שסללה עבורינו את הדרך לפיתוח טכנולוגיות זיכרון חדשניות, מבוססות סופר-החלקה.

פרופ' משה בן שלום: "במעבדה שלנו אנו בונים חומרים שכבתיים, בהם כל תזוזה אטומית – אפילו במרחק המזערי ביותר – גורמת לאלקטרונים לנוע בין השכבות. התוצאה: רכיב זיכרון דק בעובי שני אטומים בלבד! – הדק ביותר שאפשר לדמיין. במחקר הנוכחי פיתחנו שיטה חדשה לניצול החלקה נטולת חיכוך, אשר משפרת משמעותית את ביצועי רכיבי הזיכרון. בניסוי, ד"ר יאו שילב שכבות אטומיות דקות של בור וחנקן, המופרדות על ידי שכבת גרפן מחוררת. בתוך החורים הזעירים (בקוטר של כ-100 אטומים בלבד), שכבות הבור והחנקן מסתדרות באופן מסונכרן, אך ביניהן – הודות לשכבת הגרפן הלא מסונכרנת – החיכוך נעלם! בזכות תופעה זו, ניתן להחליק במהירות וביעילות את האטומים באיים המסונכרנים, ובכך לקרוא ולכתוב מידע (ביטים) ביעילות חסרת תקדים – תוך חיסכון משמעותי באנרגיה".

פרופ' בן שלום מדגיש: "המדידות שלנו מראות כי יעילות הזיכרון החדש גבוהה משמעותית בהשוואה לטכנולוגיות קיימות, וללא שחיקה כלל. מעבר לכך, המערכים החדשים חושפים תופעה מרתקת: כאשר האיים הזעירים קרובים זה לזה, תנועת האטומים באי אחד משפיעה על תנועת האטומים באיים השכנים. במילים אחרות, המערכת מסוגלת לארגן את עצמה אוטומטית למצבי זיכרון מצומדים – דבר שעשוי להוביל לפריצות דרך במחשוב מתקדם, כולל בינה מלאכותית וארכיטקטורות נוירומורפיות (חישוב המדמה את פעילות המוח).

צוות החוקרים מסכם: "אנו מפתחים את הטכנולוגיה באמצעות חברת SlideTro LTD שהוקמה על בסיס תגליות אלו ובעזרת חברת רמות של האוניברסיטה ומאמינים שבעתיד נוכל להשתמש בה ליצירת מערכי זיכרונות מהירים, אמינים ועמידים במיוחד. המחקר העתידי שלנו מופנה לאפשרויות חישוב חדשות דרך צימוד מכאני בין ביטים שלא היה אפשרי עד כה. כך שאולי ה"סיכתיות-על" תניע את המהפכה הבאה בעולם המחשוב.

הפוסט זכרון חשמלי מחליק הופיע לראשונה ב-Chiportal.

מחקר חדש של אוניברסיטת תל אביב מצא כי הטלפונים הסלולריים החכמים שנמצאים ברשות כל אחד מאתנו עשויים לסייע באיסוף נתוני מזג אוויר (מהציבור) ובמתן התראות מוקדמות על תנאי מזג אוויר קיצוניים שבעקבותם עלולות לפרוץ שריפות, ואף למנוע את התפתחותן.

החוקרים מסבירים כי בכל טלפון סלולרי חכם ישנם חיישנים רבים היכולים לאסוף נתוני סביבה חשובים, כגון טמפרטורה, לחץ ברומטרי, לחות, שדה מגנטי, אור, קול, מיקום, תאוצה, כבידה ועוד. הנתונים הללו עוזרים לנו לנווט במרחב, לקבוע המיקום שלנו, להתריע על התחממות הסוללה ולחות במכשיר, והנתונים עוזרים לנו בזמן אמת, ללא שמירה.  החוקרים הראו ששימוש חכם של הנתונים שלנו מהטלפונים החכמים עשויה לעזור במערכות התראה מוקדמת לאירועי שריפות יער.. במיוחד שיש אלפי, אם לא מיליוני, נתונים שנאספים במדינות שונות בעולם. מערכות התרעה מוקדמת שכאלו זקוקות לנתונים שבדרך כלל אינם זמינים באזורים מיוערים מרוחקים בגלל חוסר בתחנות מדידה. אולם, הציבור נושא בכיסיו טלפונים סלולריים חכמים ובכל אחד מהמכשירים הללו מיקרו-חיישנים מתוחכמים במיוחד. החיישנים פועלים ברקע באופן רציף ואת הנתונים המתקבלים מהם ניתן לאסוף ולשמור. כבר היום חברות רבות אוספות את הנתונים הללו ומשתמשות בהם לצרכים שונים, באישור המשתמשים. החוקרים סבורים שמקור הנתונים העצום הזה (נכון ל2024 ישנם למעלה מ-7 מיליארד טלפונים סלולריים חכמים ברחבי העולם) עשוי לסייע בנושא חיזוי מזג אוויר קיצוני.

פרופ' קולין פרייס ותלמידת הדוקטורט חופית שחף מהחוג לגיאופיזיקה בבית הספר פורטר לסביבה ומדעי כדור הארץ באוניברסיטת תל אביב, השתמשו בנתונים שנאספו מהציבור דרך אפליקציית מזג האוויר WeatherSignal   ((Opensignal  על מנת לפתח מתודולוגיה להערכת הסיכון לשריפות יער, המבוססת אך ורק על נתוני טלפונים סלולריים חכמים שנאספו מהציבור. תוצאות המחקר פורסמו לאחרונה בכתב העת Natural Hazards Earth System Sciences.

אחד הפרמטרים המרכזיים שקובעים את הסבירות לשריפת יער הוא כמות הלחות בצמחייה (שהיא בעצם הדלק לשריפה), וזו נקבעת על ידי טמפרטורת האוויר והלחות היחסית של האוויר סביב הצמחייה. שני פרמטרים אלו זמינים בקלות מטלפונים סלולריים חכמים שנמצאים בידי הציבור.

חופית שחף מסבירה: "פיתחנו מדד שמתבסס על VPD  ((vapor pressure deficit או גרעון לחץ אדים, שמשקף למעשה את הקשר בין הסביבה (טמפרטורה ולחות) לבין היובש בצמחים. ככל שהתנאים האטמוספריים הופכים חמים ויבשים יותר, הסביבה מושכת יותר לחות מהצמחים, מה שמקל על הצתת שריפות. כשאוויר קריר ולח יותר, שריפות אינן יכולות להתלקח. אפשר לראות יותר ויותר מחקרים המשתמשים ב- VPD לניבוי רמת הסכנה לשריפות יער, אם כי הוא מחושב בדרך כלל באמצעות נתונים הנלקחים מתחנות מזג אוויר מקומיות. החידוש במחקר שלנו הוא השימוש בנתונים שנאספו ממשתמשי טלפונים סלולריים חכמים, ללא השתתפות פעילה שלהם, לחישוב VPD על פני שטחים נרחבים, ומספק תובנות חשובות להערכת הסיכון לשריפות."

עם זאת, לנתוני הטלפונים סלולריים חכמים יש שגיאות. ייתכן שהטמפרטורה תשקף את המזגן במשרד, בעוד שחיישני הלחות עשויים לזהות את הלחות באמבטיה במהלך מקלחת. לכן היה צורך לכייל תחילה את נתוני הסלולריים באמצעות תחנות מטאורולוגיות מסחריות. התברר שהכיולים היו פשוטים למדי, והיה צורך לבצע אותם רק פעם אחת כדי לתקן את קריאות הסלולריים. לאחר כיול הנתונים או "אימונם", החוקרים התמקדו בניתוח שני מקרי מבחן משמעותיים של שריפות יער: הראשון הוא אירועי השריפות בישראל בנובמבר 2016, השני הוא שריפת הענק בפורטוגל שהתרחשה ביולי 2013. התוצאות היו מפתיעות, שכן נתוני הטלפונים סלולריים חכמים שנאספו מהציבור הראו אנומליות משמעותיות במדד VPD לפני ובמהלך השריפות הגדולות שנצפו.

חופית שחף מוסיפה: "מפתיע, אך למרות שלכל סלולרי יש שגיאות והטיות משלו, באמצעות כמויות גדולות של נתונים ממספר רב של טלפונים סלולריים חכמים אנו יכולים למצע את השגיאות ועדיין להישאר עם נתונים שימושיים. כמות הנתונים הגדולה מתגברת על הבעיות הקשורות לטלפונים סלולריים חכמים בודדים."

כיסוי הטלפונים הסלולריים החכמים העולמי גדל בכ-30% בחמש השנים האחרונות. ככל שצפיפותם העולמית תמשיך לגדול, נתונים שנאספים מסלולריים עשויים להציע בסופו של דבר רזולוציה מרחבית טובה יותר מאשר רשתות מטאורולוגיות מסורתיות. זה נכון במיוחד באזורים עירוניים שבהם אסונות טבע כמו שריפות יכולה להיות השפעה משמעותית. בנוסף, במדינות עם הכנסה נמוכה קיים מחסור בתשתיות מטאורולוגיות, וכך טלפונים סלולריים חכמים עשויים לספק נתונים שימושיים למעקב אחר תנאי מזג אוויר קיצוניים. פרייס מסכם: "בהתחשב בגידול המהיר במספר הטלפונים הסלולריים החכמים ברחבי העולם, אנו מציעים לנצל את מקור הנתונים הזה כדי לספק התרעה מוקדמת טובה יותר לציבור ולמנהלי חירום על אסונות טבע מתקרבים. התרעה מוקדמת טובה יותר יכולה למנוע מסכנות טבע להפוך לאסונות טבע."

הפוסט כיצד יכולים הטלפונים הניידים להתריע מפני שריפות יער ותנאי מזג אויר קיצוניים הופיע לראשונה ב-Chiportal.

מחקר בינלאומי חדש בהשתתפות חוקרים מאוניברסיטת תל אביב פיתח שיטה חדשה לגידול רצועות אולטא-ארוכות וצרות של גרפן (חומר הנגזר מגרפיט), המשמשות כמוליך למחצה לטובת תעשיית הננו-אלקטרוניקה. החוקרים סבורים שהפיתוח עשוי לשמש בעבור יישומים טכנולוגיים רבים בהם התקני מיתוג מתקדמים, התקנים ספינטרוניים, ובעתיד אף לטובת מחשוב קוונטי.

המחקר נערך בהובלת צוות חוקרים בינלאומי, בהם פרופ' מיכאל אורבך ופרופ' עודד הוד מבית הספר לכימיה בפקולטה למדעים מדויקים ע"ש סאקלר, וכן מדענים מסין, דרום קוריאה ויפן. המחקר פורסם בכתב העת Nature.

פרופ' אורבך ופרופ' הוד מסבירים שגרפן הוא למעשה שכבה בודדת של גרפיט הבנויה ככוורת של אטומי פחמן. הגרפן מתאים מאוד לשימושים טכנולוגיים, שכן מלבד החוזק המכאני יוצא הדופן שלו, בשנים האחרונות התגלו תכונות מרתקות נוספות של מבנים העשויים ממספר קטן של שכבות גרפן מפותלות ובניהן הולכת-על, פולריזציה חשמלית ספונטאנית, הולכת חום נשלטת, ועל-סיכה מבנית – מצב שבו חומר מציג חיכוך ושחיקה זניחים.

אחת המגבלות של שימוש בגרפן לצרכים של תעשיית האלקטרוניקה היא העובדה שהוא חצי-מתכתי, כלומר מחד נשאי המטען יכולים לנוע בו בחופשיות אך מאידך כמות נשאי המטען הזמינים להולכה בו היא נמוכה מאוד. מכאן שלא ניתן להשתמש בגרפן לא כמתכת מוליכה וגם לא כחצי מוליך המשמש את תעשיית השבבים האלקטרוניים.

עם זאת, אם גוזרים מתוך יריעת גרפן רחבה רצועה דקה וארוכה של גרפן, נשאי המטען הקוונטיים מתוחמים במימד הצר של היריעה, דבר שהופך אותם לחצי מוליכים ומאפשר שימוש בהם בהתקני מיתוג קוונטיים. נכון להיום קיימים מספר חסמים העומדים בפני שימוש ברצועות גרפן להתקנים ובניהם היכולת לגדל יריעות צרות, ארוכות ובעלות מבנה הדיר המבודדות מן הסביבה.

במחקר החדש החוקרים הצליחו לפתח שיטה לגידול קטליטי של רצועות גרפן צרות, ארוכות והדירות היישר בין שכבות החומר המבודד בורון-ניטריד הקסגונאלי וכן להדגים התקני מיתוג קוונטיים בעלי ביצועי שיא המבוססים על הרצועות שגודלו. מנגנון הגידול הייחודי נחשף באמצעות חשבונות דינמיקה מולקולארית מתקדמים המפותחים בקבוצות החוקרים מישראל. חשבונות אלו הראו כי חיכוך אולטרא-נמוך בכיווני גדילה מסויימים בתוך גביש הבורון-ניטריד מכתיב את הדירות מבנה הרצועה, מאפשר את גידולה לאורכים גדולים ומהווה סביבה נקייה ומבודדת לרצועה שגדלה.

החוקרים סבורים שהפיתוח מהווה פריצת דרך מדעית וטכנולוגית בתחום גידול רצועות גרפן ארוכות ישירות במטריצות מבודדות, שצפויה לפתוח את הדלת בפני מחקר ענף שיוביל לשימוש ברצועות אלו בתעשיית הננו-אלקטרוניקה.

פרופ' אורבך ופרופ' הוד מסכמים: "החשיבות של הפיתוח החדש היא בכך שלראשונה ניתן יהיה לגדל ולייצר התקני מיתוג ננו-אלקטרוניים מבוססי פחמן ישירות בתוך מטריצה מבודדת. התקנים מסוג זה עתידים לשמש

הפוסט המהפכה בתעשיית הננו-אלקטרוניקה כבר כאן הופיע לראשונה ב-Chiportal.

המערכת החדשה מאפשרת להתבונן בתופעות שמתרחשות בתוך חומרים מיוחדים מסוג "טופולוגי" על ידי צילום התנועה של מטוטלות באמצעות מצלמה רגילה

קשה מאוד ולעיתים אף בלתי אפשרי להסתכל לתוך מערכות קוונטיות, שמורכבות מחלקיקים מיקרוסקופיים כמו אטומים או אלקטרונים. מחקר חדש באוניברסיטת תל אביב הצליח לבנות מערכת מכנית גדולה, שמצייתת לחוקי דינמיקה דומים לאלה המופיעים במערכות קוונטיות. המערכת החדשה מאפשרת להתבונן בתופעות שמתרחשות בתוך חומרים מיוחדים מסוג "טופולוגי" על ידי צילום התנועה של מטוטלות באמצעות מצלמה רגילה. המחקר, פרי של שיתוף פעולה של ד"ר יזהר נדר מהמרכז למחקר גרעיני-שורק, חביבה סירוטה-כץ מהמחלקה להנדסה ביו-רפואית, ד"ר מיטל גבע ופרופ' יאיר שוקף מבית הספר להנדסה מכנית ופרופ' יואב לחיני ופרופ' רוני אילן מבית הספר לפיזיקה ואסטרונומיה באוניברסיטת תל אביב,  פורסם לאחרונה בכתב העת המדעי PNAS.

החוקרים מסבירים כי מושגים כגון "פונקציית גל", "סופרפוזיציה" ו-"מצבי צבירה טופולוגיים" מיוחסים בדרך כלל למכניקת הקוונטים, השולטת בעולם המיקרוסקופי של האלקטרונים, האטומים והמולקולות. לפי התיאור המקובל במערכות אלו לאלקטרון, שהוא חלקיק הנע באטום או במוצק, יכולות להיות תכונות אשר מביאות לידי ביטוי תופעות גליות, כגון ההסתברות להתפשט במרחב כמו גלים בבריכה שלתוכה נזרקה אבן, היכולת של האלקטרון להיות במספר מקומות בו זמנית, להתאבך עם עצמו ועוד.

כמו-כן, התכונות הגליות מובילות לתופעה יחודית הקיימת במוצקים מבודדים מסוימים, בהם למרות שהאלקטרונים בחומר המבודד לא זזים תחת השפעת שדה חיצוני, הסידור הפנימי של החומר בא לידי ביטוי במצב שנקרא "טופולוגי". פירוש הדבר הוא שלגל של האלקטרונים מתווסף גודל שיכול "להיסגר על עצמו" במספר אפשרויות שונות, בדומה לגליל לעומת טבעת מוביוס. מצב זה של האלקטרונים, שבגינו הוענק פרס נובל בפיזיקה בשנת 2016, נחשב למצב צבירה חדש של החומר, ומהווה נושא מחקר פעיל מאוד בעשורים האחרונים.

למרות העניין הרב, במערכות קוונטיות ובגבישים אטומיים קיימת מגבלה במדידה של תופעות אלו. זאת משום שבמערכות אלו, בגלל אופייה של מכניקת הקוונטים, אין דרך למדוד את פונקצית הגל האלקטרונית ואת הדינמיקה שלה ישירות. במקום זאת, חוקרים מודדים בעקיפין את התכונות הגליות והטופולוגיות של האלקטרונים בחומר, לדוגמא, על ידי מדידת המוליכות החשמלית של מוצקים. 

חמישים מטוטלות בשורה אחת

במסגרת המחקר, החוקרים חשבו מה אם נוכל לבנות מערכת מכנית גדולה, שתציית לחוקי דינמיקה דומים לאלה המופיעים מערכות הקוונטיות האלו, ובה נוכל למדוד הכול? ואכן הם בנו מערכת של חמישים מטוטלות בשורה, עם אורכי חוטים שהשתנו מעט בין מטוטלת אחת לשנייה. בנוסף, החוטים של כל זוג מטוטלות סמוכות חוברו אחד לשני בגובה משתנה ומבוקר, כך שהתנועה של כל אחת מהן משפיעה על תנועת שכנותיה.

מצד אחד, המערכת צייתה לחוקי הפיזיקה היומיומיים שלנו – חוקי ניוטון, אבל הערכים המדויקים של אורכי המטוטלות ושל החיבורים ביניהן יצרו קסם: חוקי ניוטון עצמם הביאו לכך שהגל שיצרה תנועת המטוטלות, יציית בקירוב מצויין למשוואת שרדינגר – המשוואה היסודית של תורת הקוונטים, ששולטת על תנועת האלקטרונים באטומים ובתוך מוצקים. התוצאה היא שהדינמיקה של המטוטלות, הנצפית לעין בעולם המאקרוסקופי (ונמדדה בפשטות על ידי הטלפונים הניידים של החוקרים), מחקה בצורה מדויקת התנהגויות של אלקטרונים בגביש.  

כשהחוקרים הסיטו כמה מטוטלות בתוך השורה, ואז עזבו אותן ונתנו לגל הנוצר להתקדם באופן חופשי, הם יכלו למדוד ישירות את התפתחות הגל בתוך המערכת – משימה בלתי אפשרית כשמדובר על תנועת אלקטרונים. יכולת זו אפשרה מדידה ישירה של שלוש תופעות. הראשונה מכונה תנודות בלוך. במערכת אלקטרונית תופעה זו מיוחסת לאלקטרונים הנמשכים בכיוון מסויים על ידי מתח חשמלי, ולמרות זאת לא נעים בכיוון המתח, כמו במתכות רגילות, אלא מבצעים תנודות הלוך ושוב בשל נוכחות הסביבה המחזורית של הגביש. תופעה זו מיוחסת רק למוצקים נקיים מאוד, שקשה מאוד למצוא בטבע. לעומת זאת, במערכת המטוטלות, נצפה גל כשהוא נע הלוך ושוב בצורה מחזורית, בדיוק בהתאם לניבוי של בלוך.

התופעה השנייה שנצפתה ישירות במערך המטוטלות מכונה מנהור זנר. מנהור היא תופעה קוונטית ייחודית, אשר מאפשרת מעבר של חלקיקים דרך מחסום, בניגוד לאינטואיציה הקלאסית. במקרה של מנהור זנר הדבר בא לידי ביטוי בפיצול של חבילת הגלים תחת כח חיצוני גדול מספיק, שלאחריו החלקים נעים בכיוונים הפוכים. חלק אחד של הגל חוזר לאחור כמו בתנודת בלוך רגילה, וחלק אחר מצליח ״למנהר״ דרך מצב אסור וממשיך להתקדם. הפיצול של הגל לשניים, ובעיקר החיבור בין תוצאת המנהור לתנועת הגל ימינה או שמאלה, היא סימן היכר של משוואת שרדינגר. אכן, זו הייתה הסיבה העיקרית שהיא גרמה לשרדינגר עצמו חוסר נחת, מה שהביא אותו לנסח את הפרדוקס המפורסם שלו, לפיו ממשוואת שרדינגר עולה שמנהור קוונטי באטום בודד יכול להוביל לכך שהגל של חתול שלם מתפצל לחתול-חי וחתול-מת. החוקרים ניתחו את תנועת המטוטלות וחילצו ממנה את הפרמטרים של התנועה – כמו למשל את היחס בין העוצמות של שני חלקי הגל המפוצל, ששקול להסתברות למנהור זנר הקוונטי. תוצאות הניסוי הראו התאמה מצוינת עם הניבויים של משוואת שרדינגר.

חשוב לזכור כי בסופו של דבר, מערכת המטוטלות היא מערכת הנשלטת על ידי חוקי הפיזיקה הקלאסית, ולכן אינה יכולה לדמות את כל העושר של מערכות קוונטיות. לדוגמא, במערכות קוונטיות עצם המדידה יכולה להשפיע על התנהגות המערכת (ולגרום לחתול להיות, לבסוף, או חי או מת, כשצופים בו). ואילו כאן אין תופעה מקבילה. אבל גם בתוך הגבולות האלה, מערך המטוטלות מאפשר מדידה של תכונות מעניינות ולא טריוויאליות שמתקיימות במערכות קוונטיות, אבל שלא ניתן למדוד אותן בהן בצורה ישירה.

התופעה השלישית שנצפתה ישירות בניסוי היא התפתחות של חבילת גלים בתווך בעל מאפיינים טופולוגיים לא טריוויאליים. כאן החוקרים מצאו דרך למדוד בצורה ישירה את המאפיין הטופולוגי מתוך הדינמיקה של חבילת גלים בתווך – משימה כמעט בלתי אפשרית בחומרים קוונטיים. לצורך כך, מערכת המטוטלות כוונה פעמיים, כך שהמטוטלות דימו את משוואת שרדינגר של אלקטרונים, פעם במצב טופולוגי, ופעם במצב טריוויאלי (כלומר רגיל). מתוך השוואה של הבדלים קטנים ביותר בתנועת המטוטלות בין שני הניסויים ניתן היה להבחין בין שני המצבים. האבחנה דרשה מדידה עדינה למדי ובאה לידי ביטוי בהפרש של בדיוק חצי תנודה של המטוטלות בין שני הניסויים, שכל אחד ארך כ-12 דקות, וכלל כ-400 תנודות שלמות של המטוטלות. הפרש קטן זה נמדד בדיוק מובהק ועם התאמה לתיאוריה.

הניסוי פותח פתח למימוש של בעיות נוספות, מעניינות ומורכבות אפילו יותר, כמו השפעות של רעש וזיהומים או של זליגת אנרגיה על הדינמיקה של חבילות גלים במשוואת שרדינגר. אלו השפעות שאפשר לדמות בקלות במערכת, בעזרת הפרעה יזומה ומבוקרת לתנועת המטוטלות.

הפוסט חוקרים ראו תופעות ממכניקת הקוונטים בתנועת מטוטלות הופיע לראשונה ב-Chiportal.

תקווה ראשונית לייצור המוני של מימן ירוק, שיפחית דרמטית את פליטות ה-CO2 של האנושות: חוקרים מאוניברסיטת תל אביב פיתחו שיטה חדשה לייצור מימן “ירוק”, כלומר מימן שיוצר ללא זיהום אוויר, ביעילות גבוהה באמצעות זרז ביולוגי. המימן הוא חומר גלם הכרחי הן בחקלאות והן בתעשייה, אך 95% מהמימן שמיוצר היום בעולם הוא מימן “שחור” או “אפור” שמיוצר מפחם או גז טבעי ופולט 9-12 טונות פחמן דו-חמצני על כל טונה מימן. לדברי החוקרים, נכון להיום הפקה של מימן ‘ירוק’ נעשית בעיקר באמצעות תהליך שמצריך שימוש במתכות יקרות ונדירות ובזיקוק של המים, דבר שמייקר את המימן ה’ירוק’ עד פי 15 מה’אפור’ המזהם. החוקרים מביעים תקווה כי בעתיד אפשר יהיה לנצל את השיטה החדשה שפיתחו באופן מסחרי, להוזיל את העלויות ולעבור להשתמש במימן ‘ירוק’ הן בתעשייה, הן בחקלאות והן כמקור אנרגיה נקי.

את השיטה החדשה פיתחו הדוקטורנט יצחק גרינברג וד”ר אורן בן-צבי, בהנחיית פרופ’ יפתח יעקובי מבית הספר למדעי הצמח ואבטחת מזון בפקולטה למדעי החיים ע”ש ג’ורג’ ס’ וייז, ופרופ’ ליהי אדלר-אברמוביץ מבית הספר לרפואת שיניים בפקולטה לרפואה ע”ש סאקלר, ומהמרכז לננו-מדע ולננו-טכנולוגיה. תוצאות המחקר המבטיח פורסמו בכתב העת החשוב Carbon Energy.

תהליך ייצור יעיל יותר ב-90%

“המימן נדיר מאוד באטמוספרה”, מסביר יצחק גרינברג, “והוא מופק על ידי אנזימים שקיימים ביצורים מיקרוסקופיים, שמקבלים את האנרגיה לכך מתהליכי פוטוסינתזה. במעבדה אנחנו מחשמלים למעשה את אותם אנזימים, כלומר אלקטרודה מחליפה את השמש ומספקת את האנרגיה. התוצאה היא תהליך יעיל, ללא דרישה לתנאים קיצוניים. עם זאת, האנזים ‘בורח’ מהמטען החשמלי וצריך להחזיק אותו במקום באמצעות טיפול כימי. אנחנו מצאנו דרך קלה ויעילה להצמיד את האנזים לאלקטרודה ולנצל אותו”.

במחקרם החדש, החוקרים השתמשו בהידרוג’ל (ג’ל מבוסס מים) כדי לחבר את האלקטרודה לאנזים, וכך הצליחו לייצר מימן ירוק באמצעות זרז ביולוגי, וביעילות של מעל 90%, כלומר שמעל ל-90% מהאלקטרונים שהוכנסו למערכת נשארו במימן ללא תהליכי משנה.

“החומר של הג’ל עצמו מוכר, אבל השימוש בו להפקת מימן הוא חידוש שלנו”, מסביר פרופ’ יפתח יעקובי. “הספגנו את האלקטרודה בג’ל הזה, שהכיל אנזים לייצור מימן בשם הידרוגנאז. הג’ל מחזיק את האנזים לאורך זמן גם תחת המתח החשמלי ומאפשר לייצר מימן ביעילות גבוהה ובתנאים סביבתיים שנוחים לאנזים, כלומר גם במי מלח, בניגוד לאלקטרוליזה שמצריכה מים מזוקקים. פרופ’ ליהי אדלר-אברמוביץ  מוסיפה: “יתרון נוסף הוא שהג’ל מרכיב את עצמו: מכניסים את החומר לתוך מים והוא עובר הרכבה עצמית, כלומר מסתדר לסיבים ננו-מטריים שיוצרים את הג’ל. אנחנו הראינו שהסיבים הללו מסוגלים להדביק את האנזים לאלקטרודה. את הג’ל בדקנו על שני אנזימים נוספים, מלבד הידרוגנאז, והוכחנו שהוא מסוגל להדביק אנזימים שונים לאלקטרודה”.

“כיום הפקה של מימן ‘ירוק’ נעשית בעיקר באמצעות אלקטרוליזה, שמצריכה מתכות יקרות ונדירות כמו פלטינה בנוסף לזיקוק של המים, דבר שמייקר את המימן ה’ירוק’ עד פי 15 מה’אפור’ המזהם. אנחנו מקווים שבעתיד אפשר יהיה לנצל את השיטה שלנו באופן מסחרי, להוזיל את העלויות ולעבור להשתמש במימן ‘ירוק’ – הן בתעשייה, הן בחקלאות והן כמקור אנרגיה נקי, מסכם ד”ר אורן בן-צבי.

הפוסט יעיל וכבר לא יקר – מימן ירוק הופיע לראשונה ב-Chiportal.

אחד האיומים העיקריים בעולמות אבטחת המידע בשנים האחרונות הוא הפיתוח של מחשבים קוונטיים. דור המחשבים החדש שהולך וצובר תאוצה עשוי בעתיד לאפשר פריצה של כמעט כל מקורות ההצפנה הקיימים בעולמנו. במחקר חדש של אוניברסיטת תל אביב פותחה שיטה חדשה ליצירת מקורות אור קוונטיים אשר משמשים כאבן דרך מרכזית בפתרון בעיות האבטחה. מקור האור הקוונטי יכול לפלוט שני חלקיקי אור (פוטונים) השזורים בצורתם המרחבית, לדוגמא פוטון אחד הנראה בקירוב כעיגול במרחב והפוטון השני בעל צורה המכילה (בקירוב) שני עיגולים ולשמש כמקור האור במערכות חדשות של הצפנה קוונטיים. 

המחקר נערך בהובלתו של הדוקטורנט אופיר ישרים תחת הנחייתו של פרופ' עדי אריה, ראש הקתדרה על שם מרקו ולוסי שאול, מבית הספר להנדסת חשמל באוניברסיטת תל אביב. כמו כן השתתפו במחקר ד״ר שאולי פרל ויהושע פולי קומר מבית הספר להנדסת חשמל וכן ד״ר אירית יובילר מהמחלקה להנדסת חשמל במכללת סמי שמעון. המאמר, שכותרתו ״יצירת קיודיטים שזורים מרחבית באמצעות הולוגרפיה לא לינארית קוונטית״, פורסם לאחרונה בכתב העת היוקרתי "Science Advances". 

מפתח הצפנה משותף

פרופ' אריה מסביר: "על מנת להעביר מידע חשאי בין שני משתמשים נדרש 'מפתח הצפנה', כלומר סדרה של ביטים שיש רק לשני המשתמשים, המאפשרת להצפין את המידע. בעולם הפיזיקה הקוונטית הוצעה שיטה ליצירת מפתח הצפנה משותף – באמצעות שימוש בשני פוטונים שזורים. כל אחד משני המשתתפים יכול למדוד רק אחד מהפוטונים, אבל בגלל שהם שזורים, קיים קשר בין המדידות הנפרדות האלה, אשר מאפשר את יצירת מפתח ההצפנה המשותף. היתרון הגדול של שיטת הצפנה זו לעומת השיטות הקיימות היא בכך שברגע שיש ניסיון פריצה למידע זה, מתוקף תכונותיו הפיזיקליות (חלקיקים בודדים שנהרסים לאחד שמדדו אותם) השידור ישתבש – ונוכל לדעת על ניסיון הפריצה". 

אופיר ישרים מוסיף: "כדי לבצע את כל המתואר לעיל, עלינו לייצר מערכת שבה זוג פוטונים שזורים קוונטית בעלי אותה צורה מרחבית. רוב הניסויים שנעשו עד היום השתמשו בעיקר בתכונת הקיטוב של האור, אך תכונה זו היא בעלת שני ממדים בלבד ומגבילה את כמות המידע שאפשר לצרוך ולהעביר. לכן, המגמה כיום היא לעבור לתכונה אחרת של האור- צורה מרחבית, בעלת מספר רב יותר של ממדים ולכן יש לה יתרונות מבחינת קצב העברת מידע ובנוסף יש לה גם יתרון מבחינת בטיחות המידע."

"עד היום, חוקרים ביצעו את העבודה בשני שלבים – יצירת הפוטונים השזורים ולאחר מכן העברה לצורה מרחבית,  על ידי סדרה של רכיבים אופטיים. בעבודתנו הצלחנו לייעל את התהליך ע"י שימוש בגביש שהמקדם הלא ליניארי שלו תוכנן כך שיתפקד כמעין הולוגרמה קוונטית: אלומת לייזר רגילה מאירה את ההולוגרמה הלא לינארית, אשר יוצרת שזירות בין חזיתות הגל (הצורות המרחביות) של שני הפוטונים הנוצרים. זו הכללה לתחום הקוונטי של שיטת ההולוגרפיה הסטנדרטית, אשר מאפשרת לאחסן משרעת ומופע של אלומת אור ולשחזר אותה על ידי הארת ההולוגרמה על ידי לייזר. בדרך זו, יצירת השזירות נעשית על ידי מספר מינימלי של רכיבים – תכונה חשובה בשביל מעבר מהמעבדה ליישומים מעשיים. כדוגמא, ניתן יהיה להתקין מקור קוונטי זה על לוויינים או רחפנים, שבהם נדרש להשתמש במקור אור בעל נפח מינימלי". 

פרופ' אריה מסכם: "אנחנו עומדים בפתחו של עולם טכנולוגי חדש, ועימו מגיעות שלל הזדמנויות חדשות לצד שלל בעיות שטרם נתקלנו בהן. אני מאמין שמחקרנו  הינו חלק  מדור חדש של יישומים בתחומי המדע והטכנולוגיה הקוונטיים. בנוסף ליישומים בתחום התקשורת המוצפנת, מקורות האור שפותחו במחקר עשויים להיות שימושים בחיישנים קוונטים בעלי רגישות גבוהה."

הפוסט שיטה חדשה ליצירת מקורות אור קוונטיים תסייע בהצפנה ובפתרון בעיות האבטחה הופיע לראשונה ב-Chiportal.

אוניברסיטת תל אביב חנכה את תחנת הקרקע הראשונה בישראל, ובין המתקדמות ביותר בעולם, לעקיבה, לחישה, לצילום היפר-ספקטרלי ולתקשורת אופטית וקוונטית עם לוויינים במסלול סביב כדור הארץ. תחנת הקרקע החדשה תאפשר גם לערוך ניסויים בתקשורת אופטית קוונטית.

בשלב הראשון של הפרויקט, ינסו החוקרים לבסס תקשורת אופטית ואחריה תקשורת קוונטית בין תחנות הקרקע, בין תחנות קרקע לרחפנים ואחר כך בין תחנות קרקע ללוויין של אחד השותפים הבינלאומיים. התקווה היא שתוך שנתיים-שלוש, יגויסו מלוא המשאבים כדי לבנות לוויין קוונטי ייעודי כחול-לבן.

לעקוב תוך כדי תנועה

התחנה כוללת כיפת מצפה לוויינים בקוטר 4.25 מטרים, מערכת עקיבה, מצלמה מהירה ראשית ומצלמות עקיבה משניות, ציוד לייזרים, גלאי פוטונים בודדים ורובוט עקיבה המאפשר נשיאה בו-זמנית של שני טלסקופים. בשלב זה הזרוע מחזיקה בטלסקופ של 24 אינץ', ובשלב השני יצטייד המצפה בטלסקופ נוסף, המיועד לצילום בתחום תת-אדום, וכן מצלמות תרמיות והיפר-ספקטרליות ייעודיות. בנוסף לתקשורת האופטית הרגילה, שמשתמשת בלייזרים או ב-LED באורכי גל שונים, תחנת הקרקע החדשה תאפשר גם לערוך ניסויים בתקשורת אופטית קוונטית. תקשורת מתקדמת משתמשת בתכונות קוונטיות של פוטונים בודדים כדי להעביר מידע מוצפן. 

"תחנת הקרקע מיועדת לצפייה בלוויינים, שהם גופים קטנים בגובה 400-500 ק"מ שנעים בכ-30,000 קמ"ש", אומר פרופ' ירון עוז ראש המרכז למדע וטכנולוגיה קוונטית באוניברסיטת תל אביב. "היכולת לעקוב אחר לוויינים היא מיומנות עדינה מאוד. הלוויין חולף מהר מאוד, ובזמן הזה צריך לצלם אותו במרכז התמונה ובכמה טווחים שונים של הספקטרום האלקטרומגנטי כדי ללמוד פרטים עליו. זהו מצפה הלוויינים הראשון והיחיד בישראל, והוא בין המתקדמים ביותר בעולם כולו".

"מבחינה תיאורטית, תקשורת קוונטית היא מוצפנת לחלוטין", מסביר פרופ' עוז. "אי אפשר לתקוף אותה בסייבר ולהעתיק את המידע, כי במכניקת קוונטים יש עיקרון שמונע העתקה. ברגע שצד שלישי מנסה להאזין למסר, הוא הורס את האות המקורי, למשל משנה את קיטוב הפוטונים, ושני הצדדים שמתקשרים יכולים לדעת שמישהו ניסה להאזין. ככה זה בתיאוריה. בפרקטיקה, יש לא מעט שאלות מחקריות שצריך לענות עליהן. למשל, מה עושים עם רעש באות שלא נוצר כתוצאה מהאזנה, למשל ממזג האוויר? האם כדאי להשתמש בקיוביטים או בקיודיטים, פוטונים בעלי יותר משני מצבים? ובכלל, כמה מידע אפשר להעביר כך בזמן השידור המוגבל שבו הלוויין חולף מעל תחנת הקרקע? רשימת השאלות הפתוחות ארוכה. צריך להבין שתקשורת קוונטית היא תחום ניסיוני לחלוטין. קיימים פרוטוקולים מניסויים שנערכו במעבדות, אך המדינה היחידה שהדגימה בהצלחה תקשורת כזו היא סין כבר ב-2016. כנראה גם האמריקנים הצליחו, אבל הם לא פרסמו על כך דבר בעיתונות המדעית. חוץ משתי המעצמות הללו, מדינות ספורות כמו גרמניה, סינגפור וכעת גם ישראל מכינות את הקרקע להדגמת היכולת".

המטרה: לוויין קוונטי ייעודי כחול לבן

בשלב הראשון של הפרויקט, ינסו החוקרים לבסס תקשורת אופטית ואחריה תקשורת קוונטית בין תחנות הקרקע, בין תחנות קרקע לרחפנים ואחר כך בין תחנות קרקע ללוויין של אחד השותפים הבינלאומיים. בתוך שנתיים-שלוש, החוקרים מקווים לגייס את המשאבים כדי לבנות לוויין קוונטי ייעודי כחול-לבן.

"אנחנו עובדים בשיטת חומה ומגדל", מספר פרופ' עוז. "בהתחלה נציב משדר על גג הבניין השני של בית הספר לפיזיקה, בניסיון לייצר מפתח קוונטי חסין בקצב של מאות עד אלפי ביטים לשנייה, במטרה ללמוד ולשפר את יכולות ההצבה, המיתוג והסנכרון של מקורות האור וגלאי הפוטונים הבודדים. בהמשך נרצה להקטין את מערכת השידור ולהטמיע אותה במערכת מוטסת, בהתחלה ברחפנים, ולבסס רשת של תקשורת קוונטית. בסוף נרצה גם לשגר לוויין שלנו, שינסה לתקשר קוונטית עם תחנת הקרקע ועם לוויין דומה של סינגפור".

בפרויקט פורץ הדרך משתתפים גם פרופ' עדי אריה מהפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן, פרופ' חיים סוכובסקי ופרופ' ארז עציון מבית הספר לפיזיקה ולאסטרונומיה, מנהל תחנת הקרקע האופטית מיכאל צוקראן, ד"ר גארי רוזנמן, ותלמידי המחקר יובל רכס ותומר נחום. הפרויקט ממומן על ידי מרכז הקוונטים האוניברסיטאי, בהובלת פרופ' ירון עוז ובניהולה האדמיניסטרטיבי של רונית אקרמן, ועל ידי סוכנות החלל הישראלית במשרד החדשנות, המדע והטכנולוגיה.

הפוסט אוניברסיטת תל אביב חנכה את מצפה הלוויינים הראשון לתקשורת אופטית קוונטית הופיע לראשונה ב-Chiportal.

חוקרים באוניברסיטת תל אביב פיתחו טכנולוגיה חדשה שתאפשר, לראשונה בעולם, שליטה באחסון ושחרור מולקולות באמצעות חשיפה לאור – קרינת UV.

החוקרים מסבירים כי אחסון מולקולות נחשב לאתגר משמעותי בתעשייה ובעולם המדעי: היכולת לשמור אותן מבודדות זוהי משימה לא פשוטה שכן המולקולות נוטות להתפרק ולהגיב עם חומרים אחרים. הטכנולוגיה החדישה עשויה להביא לפתרון הבעיה, על ידי כך שהיא תאפשר אחסון מולקלות רבות בתא אחסון יחיד החוקרים מעריכים שהפיתוח יקדם בניית מערכות לאחסון ביו-מולקולות ותרופות ושחרור יעיל ומבוקר שלהן בעת הצורך על ידי גירוי חיצוני, באמצעות אור.

המחקר נערך בהובלת הדוקטורנט איתי קציר ובהנחייתה של ד"ר אילה למפל מבית הספר שמוניס למחקר ביו־רפואי וחקר הסרטן בפקולטה למדעי החיים של אוניברסיטת תל אביב. המחקר פורסם בכתב העת היוקרתי "Advanced Materials".

החוקרים מסבירים כי המערכת החדשה פותחה בהשראת מערכת ההדבקה של וירוס החצבת. כשוירוס זה מדביק תא אדם, הוא יוצר "אורגנלה" (אברון) המתפקד כמפעל לייצור וירוסים, ולכן נקרא Viral factory. לאחרונה, מספר מחקרים הראו שמפעלי וירוסים אלו הינם מבנים נוזליים שנוצרים בתהליך של הפרדת פאזות בתוך התא.

בהשראת החלבון הויראלי האחראי על יצירת המפעלים הללו, צוות המחקר ייצר פפטיד (חלבון קצר) המחקה את התפקוד של חלבון החצבת, ומטרתו היא יצירה מבנים דמויי viral factories לאחסון וכליאה של ביו-מולקולות. בנוסף, לאחר יצירת הטכנולוגיה החדשה, החוקרים הכניסו עוד אלמנט ייחודי שיאפשר לשלוט בתהליך האחסון והשחרור של מולקולות באמצעות הקרנת אור על המבנה.

ד"ר למפל: "המטרה שלנו הייתה להנדס קומפלקס של פפטיד משולב עם RNA שיאפשר אחסון של מולקולות במבנים נוזליים (טיפות נוזל) השומרים על הדינמיות והמבנים המיוחדים של מולקולות ביולוגיות וכימיות שונות. הפפטיד וה-RNA יוצרים יחד מבנים של טיפות נוזלים, שדומים ל-viral factories. בהמשך הוספנו לפפטיד קבוצת הגנה שמשתחררת באמצעות חשיפה לקרינת UV. למבנים עם קבוצת ההגנה יש יכולת טובה יותר לאחסן מולקולות בתוכן לעומת מבנים ללא קבוצת ההגנה. לכן, על ידי חשיפה של המערכת לקרינת אור בתחום ה-UV ושחרור קבוצת ההגנה ניתן לשלוט בשחרור המולקולות המאוחסנות, וכך יצרנו מערכת שמאפשרת שחרור מבוקר תלוי-גירוי".

ד"ר למפל מסכמת: "דבר נוסף שמיוחד במערכת שלנו הוא היכולת להכניס מולקולות רבות לתא אחסון אחד, מה שלא מתאפשר כיום בטכנולוגיות הקיימות. זוהי טכנולוגיה עם פוטנציאל רב ביישומיים ביו-רפואיים לרבות הובלה, אחסון ושחרור מבוקר ואיטי של תרופות, חיסונים או ביו-מולקולות תרפויטיות אחרות״.

למאמר המדעי

הפוסט חוקרים באוניברסיטת ת"א פיתחו יכולת אחסון מולקולות רבות בתא יחיד הופיע לראשונה ב-Chiportal.

קרני אור מתקדמות בתווך אחיד כגון אויר או זכוכית בקווים ישרים, אך לעומת זאת ניתן לעקם את המסלול של חלקיקים טעונים כגון אלקטרונים על ידי הפעלת שדה חשמלי או מגנטי. בניסוי שנערך לאחרונה באוניברסיטת תל אביב ופורסם בכתב העת היוקרתי Nature Photonics הראו החוקרים כי ניתן גם לפצל ולעקם את המסלול של אלומות אור, על ידי שימוש באלומת אור נוספת ובגביש לא ליניארי.

צוות החוקרים מהפקולטה להנדסה ומבית הספר לפיזיקה של אוניברסיטת תל אביב כולל את הדוקטורנטים אופיר ישרים (שהוביל את הניסוי) ואביב קרניאלי, ד"ר סטיבן ג׳אקל, ד"ר ג׳וזפה די דומניקו, וד"ר סיוון טרכטנברג-מילס, תחת הנחייתו של פרופ׳ עדי אריה, מופקד הקתדרה ע"ש מרקו ולוסי שאול.

הניסוי שבוצע מבוסס על אנלוגיה בתחום האופטי לאחד מניסויי המפתח של תורת הקוונטים, ניסוי שטרן-גרלך אשר פורסם בדיוק לפני 100 שנה, בשנת 1922. החוקרים הגרמניים אוטו שטרן ו-וולטר גרלך שלחו אטומי כסף דרך שדה מגנטי שמשתנה במרחב, והבחינו כי כתוצאה מכך מתקבל פיצול של אלומת האטומים: מחצית מהאטומים סטו לכיוון אחד, ומחציתם השני לכיוון הנגדי.  הסיבה לכך היא שלאלקטרוני הערכיות של הכסף יש תכונה הקרויה ספין, אשר גם קובעת את המומנט המגנטי של כל אלקטרון. השדה המגנטי החיצוני מפעיל כוח על האלקטרון, אשר תלוי בכיוון המומנט המגנטי של אותו אלקטרון. בניסוי התברר כי ערך הספין שנמדד יכול לקבל רק שני ערכים אפשריים (שנקרא להם "מעלה" ו"מטה"), ולכן אלומת האטומים מתפצלת לשתי זוויות בלבד.

כיום, 100 שנים לאחר הניסוי המקורי, ביצעו חוקרים מאוניברסיטת תל אביב ניסוי מקביל באופטיקה, בו קרני אור פוצלו באמצעות אינטראקציה לא-לינארית (אינטראקציה בה קרני אור יכולות להשפיע אחת על השנייה).

במסגרת הניסוי, החוקרים השתמשו בגבישים  אופטיים לא ליניאריים. לטענתם לרוב, משתמשים בגבישים אלה בשביל לבצע המרות תדר – כלומר קרן לייזר באורך גל (צבע) מסוים תהפוך לקרן באורך גל אחר.

פרופ' עדי אריה מסביר: "בניסוי זה, שלחנו 3 אלומות אור בארכי גל שונים לגביש לא לינארי, שלמען הנוחות נסמן אותם בצורה סימבולית כאלומות בצבע כחול, ירוק ואדום. האלומה הירוקה היא בעוצמה חזקה בהרבה מהאלומות האחרות, ובאמצעות התהליך הלא ליניארי היא מאפשרת המרת אנרגיה מהאלומה הכחולה לאדומה או להיפך. בניסוי שבוצע, נשלחה אלומה ירוקה רחבה, שלה  עוצמה מקסימלית במרכזה, והיא יורדת לאפס בשולי האלומה. כך יוצרים אינטראקציה שמשתנה במרחב – אינטראקציה חזקה במרכז האלומה, ואינטראקציה חלשה בשוליה.

פרופ' אריה מוסיף כי "אלומה זו ממלאת תפקיד אנלוגי לשדה המגנטי המשתנה במרחב בניסוי שטרן-גרלך המקורי. אם נשלח אלומה כחולה לאזור המואר על ידי שיפולי האלומה הירוקה, נקבל פיצול לשתי אלומות הנעות בזויות שונות, שבכל אחת מהן יש כעת אור כחול ואור אדום. באחת האלומות האור הכחול והאור האדום הם בעלי אותו מופע (פאזה) והיא נעה ימינה ובאלומה השניה הן במופע הפוך והיא נעה שמאלה. שתי אלומות אלה הן האנלוג של הספין של האלקטרון בניסוי שטרן גרלך המקורי. כמו כן, אפשר להגדיל או להקטין את זווית הפיצול על ידי הגדלה או הקטנה של עוצמת הלייזר הירוק. לעומת זאת, כאשר הוכנסה אלומה משולבת של כחול ואדום, לא ניתן היה לראות פיצול – הקרן סטתה לכיוון אחד בלבד, כתלות במופע בין הצבעים שהוכנסו. ניסוי זה מקביל למקרה שבו מכניסים אטומי כסף בעלי ספין ״מעלה״ או ״מטה״ בלבד בניסוי שטרן גרלך".

לסיכום, החוקרים מסבירים פיצול מרחבי של אורכי גל אינו דבר חדש. מנסרה למשל, מאפשרת פיצול מרחבי של אורכי גל לזוויות שונות, ואולם פיצול זה הוא קבוע ומפריד כל צבע לכיוון אחד. בניסוי שהודגם במסגרת מחקר זה, הפיצול מאפשר להשתמש בשילוב אורכי גל, כתלות במופע ביניהם, ולשלוט בזווית הפיצול על ידי אלומת אור נוספת. לתופעה זו יש יישומים פוטנציאלים בתחומים של עיבוד אותות ותקשורת אופטית, תקשורת קוונטית,  חישוב קוונטי, חישה מדויקת ועוד. החוקרים מאמינים שהניסוי יהווה את נקודת הפתיחה לניסויים נוספים שמנצלים את ההקבלה בין מערכות של אלקטרונים בשדה מגנטי לבין מערכות אופטיות.

למאמר המדעי

הפוסט שיטה חדשה לעקם ולפצל קרני אור בצבעים שונים על ידי תהליך אופטי לא ליניארי הופיע לראשונה ב-Chiportal.