מרכז המחשוב הקוונטי הישראלי (IQCC) בתל אביב הפך למתקן הראשון בעולם שמתקין ומשלב התקן קיוביטים מוליכי־על חדש של חברת Qolab, כך הודיעה חברת QM Inc. ב־3 בדצמבר 2025. ההכרזה נעשתה בתל אביב על ידי פרופ’ ג’ון מרטיניס, מייסד Qolab וזוכה פרס נובל לפיזיקה לשנת 2025, יחד עם הנהלת ה-IQCC, והיא מסמנת אבן דרך משמעותית בתשתיות המחשוב הקוונטי העולמיות.

ההתקן החדש – מעבד קוונטי מבוסס קיוביטים מוליכי־על – פותח בדגש על אמינות, שחזור בתהליך הייצור ויכולת התרחבות (scalability), במטרה לגשר על הפער בין מערכות ניסוי מעבדה רגישות לבין פלטפורמות קוונטיות הניתנות לפריסה ושימוש שוטף. המעבד נשען על הפיזיקה הבסיסית שבגינה זכה פרופ’ מרטיניס בפרס נובל, על תרומתו רבת־השנים לתחום הקיוביטים המוליכי־על ותופעות קוונטיות מקרוסקופיות. ב-Qolab תורגמו ההישגים המדעיים הללו להנדסה מדויקת של קיוביטים, המפחיתים רעש פלוקס ודקוהרנציה ותואמים לתהליכי ייצור מתקדמים מעולם השבבים.

דור חדש של קיוביטים מוליכי־על, מותאם לעולם האמיתי

לדברי החברה, ההתקן שהותקן ב-IQCC מייצג “דור חדש של חומרת קיוביטים מוליכי־על” – כזה שנבנה מראש עבור חוקרי חומרה ותעשיית המחשוב הקוונטי, ולא רק לניסויי הוכחת היתכנות. השילוב בין אמינות גבוהה, אפשרות להכפלת מספר הקיוביטים ושיפור בתהליכי הייצור נועד להאיץ את המעבר של מחשוב קוונטי משלב מעבדות המחקר לפלטפורמות חישוב יציבות ופתוחות לשימוש רחב.

“המטרה שלנו ב-Qolab תמיד הייתה להפוך את פריצות הדרך המדעיות של עשרים השנים האחרונות לקיוביטים מהונדסים שאפשר לבנות, להגדיל ולהסתמך עליהם,” אמר פרופ’ ג’ון מ’ מרטיניס, מייסד ו-CTO של Qolab. “באמצעות שיתוף הפעולה עם Quantum Machines וה-IQCC, אנחנו יוצרים פלטפורמה שבה חוקרים מכל העולם יכולים לבצע יחד מחקר בחומרה קוונטית.”

גישה בענן למחשוב קוונטי – לחוקרים בכל העולם

במסגרת שיתוף הפעולה, התקנים נוספים של Qolab, הממוקמים באתר החברה במדיסון, ויסקונסין (ארה”ב), יונגשו לחוקרים ברחבי העולם דרך הענן של IQCC. זהו הפעם הראשונה שטכנולוגיית הקיוביטים המוליכי־על של Qolab ניתנת לשימוש כחלק מתשתית בינלאומית מאוחדת, ומאפשרת למדענים ולמפתחי אלגוריתמים להתנסות בחומרת קוונטים מתקדמת ברמת תעשייה, מבלי להיות פיזית בסמוך למעבדים עצמם.

הטמעת המעבד של Qolab במרכז הישראלי מדגישה גם את הגמישות והיכולת של טכנולוגיית הבקרה ההיברידית של Quantum Machines. יחידות הבקרה של QM נועדו לחבר בין מגוון ארכיטקטורות קיוביטים לבין מערכות חישוב קלאסיות עתירות ביצועים (HPC), כך שניתן להריץ זרימות עבודה היברידיות – קוונטיות־קלאסיות – בסביבה אחודה אחת.

“שיתוף הפעולה עם Qolab משקף את תכליתו המרכזית של מרכז המחשוב הקוונטי הישראלי,” אמר איתמר סיון, מנכ”ל ומייסד־שותף של Quantum Machines. “יחד עם פרופ’ ג’ון מרטיניס וצוותו, אנחנו הופכים פריצות דרך מדעיות מתקדמות לתשתית קוונטית עובדת, שמיידית זמינה לחוקרים ברחבי העולם.”

ישראל מתבססת כמרכז תשתית קוונטית בינלאומי

מרכז המחשוב הקוונטי הישראלי (IQCC), הממוקם באוניברסיטת תל אביב ונתמך על ידי רשות החדשנות, נחשב לאחד המרכזים המתקדמים בעולם בתחום המחשוב הקוונטי וה־HPC. זהו המרכז הראשון שהוקם מראש כדי לארח מספר מעבדים קוונטיים מבוססי מודליות שונות של קיוביטים, כולם ממוקמים באתר אחד ומשולבים הדוקות עם תשתית חישוב קלאסי עתיר־ביצועים וגישת ענן גלובלית.

ה-IQCC מספק “אקו־סיסטם פלאג-אנד-פליי” לקידום מחשוב קוונטי והיברידי בקנה מידה גדול – החל מחקר בסיסי בפיזיקה של קיוביטים, דרך פיתוח אלגוריתמים קוונטיים ועד ניסויים מעורבים (קוונטיים-קלאסיים) עבור תעשיות כמו פיננסים, חומרים, אנרגיה ו-AI. החיבור עם Qolab, שבראשה עומד אחד המדענים הבולטים בעולם בתחום הקיוביטים המוליכי־על, מחזק עוד יותר את מעמדו של המרכז הישראלי כצומת בינלאומי למחקר ולפיתוח תשתיות מחשוב קוונטי.

הפוסט מרכז המחשוב הקוונטי הישראלי הראשון בעולם שמתקין את התקן הקיוביטים מוליכי־העל של Qolab הופיע לראשונה ב-Chiportal.

חוקרים מבית הספר להנדסת חשמל ומחשבים באוניברסיטת תל אביב פיתחו שיטה פורצת דרך לתכנון רכיבים אופטיים זעירים בעזרת בינה מלאכותית. השיטה מאפשרת לעצב רכיבי אופטיקה שטוחים – המכונים מטא-משטחים – בתוך דקות ספורות בלבד, במקום שעות ואף ימים כפי שהיה נהוג עד כה. מדובר בקפיצת מדרגה משמעותית בתחום האופטיקה, עם פוטנציאל לשנות את הדרך בה מפתחים מצלמות, חיישנים, ומערכות מציאות רבודה.

המחקר נערך בהובלת תלמידי המחקר ליאב חן וארז יוסף, בהנחיית החוקרים פרופ' רג'א ג'יריס, פרופ' דן רביב ופרופ' קובי שויער, כולם מבית הספר להנדסת חשמל ומחשבים באוניברסיטת תל אביב.  המחקר פורסם בכתב העת המדעי ACS Photonics

צוות החוקרים מסביר כי בעשורים האחרונים עולם האופטיקה עובר שינוי דרמטי: במקום עדשות ורכיבים אופטיים עבים וכבדים, חוקרים מפתחים "מטא-משטחים" — מבנים דקים במיוחד בעובי של כמה מאות ננומטרים (מיליוניות המילימטר), הבנויים ממבנים זעירים הנקראים מטא-אטומים. מטא-משטחים מסוגלים לשלוט בכיוון, בעוצמה ובקיטוב של אור, ובכך לבצע פעולות שבעבר דרשו רכיבים גדולים ויקרים.

תכנון של מטא-משטח הוא משימה הנדסית מורכבת במיוחד. מדובר בבעיית "תכנון הופכי" – כאשר ידוע כיצד רוצים שהאור יתנהג, אך לא ידוע כיצד צריך להיראות המבנה הפיזי שיגרום לכך. עד כה, פתרון הבעיה דרש סימולציות ממושכות שנמשכו לעיתים ימים שלמים.

במסגרת המחקר החדש החוקרים באוניברסיטת תל אביב הצליחו לקצר את התהליך באופן דרמטי באמצעות מודל דיפוזיה – סוג מתקדם של רשת עצבית גנרטיבית (Generative AI), הדומה למודלים היוצרים תמונות, אך כאן הוא משמש לעיצוב מבנים אופטיים זעירים.

החוקרים יצרו מאגר עצום של דוגמאות הממפות בין מבנה של מטא-משטח לבין דפוס פיזור האור שהוא יוצר. המודל למד את הקשרים המורכבים הללו, ולאחר מכן הצליח לייצר עיצובים חדשים בזמן שיא – פחות מ־30 דקות – וברמת דיוק גבוהה מאוד.

החוקרים הדגימו את יעילות השיטה על מגוון משימות אופטיות, בהן עיצוב מטא-משטח המפצל קרן אור למספר כיוונים שווים, וכן רכיב שמפריד בין אור מקוטב אופקית לאור מקוטב אנכית – פונקציה חשובה במערכות אופטיות מתקדמות.

מעבר לכך, השיטה שפותחה גמישה וניתנת להתאמה למשימות חדשות, סוגי חומרים שונים ותנאים פיזיקליים מגוונים – הודות למנגנון ייחודי לבניית מערכי נתונים באיכות גבוהה לאימון המודל. לדברי החוקרים, השיטה החדשה ממחישה כיצד בינה מלאכותית גנרטיבית – טכנולוגיה המזוהה בעיקר עם יצירת אמנות ותמונות – יכולה להפוך לכלי מדעי והנדסי עוצמתי. בעתיד, גישות מסוג זה עשויות לאפשר עיצוב בזמן אמת של עדשות וחיישנים בהתאמה אישית, לייעל את תהליכי הייצור, ולתרום לפיתוח טכנולוגיות חדשות בתחומי הרפואה, התקשורת והאלקטרוניקה הלבישה.

הפוסט קפיצת מדרגה באופטיקה: בינה מלאכותית מאיצה תכנון מטא-משטחים זעירים הופיע לראשונה ב-Chiportal.

פיתוח חדש של צוות חוקרים מבית הספר להנדסת מחשבים וחשמל באוניברסיטת תל אביב מאפשר לקפל יריעות זכוכית, שעוביין קטן ממאית קוטרה של שערה, למבנים פוטוניים תלת־ממדיים מיקרוסקופיים ישירות על שבב – תהליך שהם מכנים "אוריגמי פוטוני". השיטה מאפשרת, לראשונה, בניית מיקרו מכשירים אופטיים תלת מימדים בשקיפות גבוהה.

המחקר נערך בהובלת הסטודנטית לתואר שני, מניה מלהוטרה ובהשתתפות מהנדס המעבדה, רונן בן דניאל, וסטודנט המחקר פאן צ'אנג, מהפקולטה להנדסה. המחקר פורסם ב-Optica  , כתב העת המוביל של החברה האמריקאית לאופטיקה.

פרופ' טל כרמון: "מדפסות תלת המימד הטובות ביותר שקיימות היום מייצרות מבנים בעלי פני שטח מחוספסים שאינם שקופים ואחידים אופטית ולכן אינם מתאימים לאופטיקה בעלת ביצועים גבוהים. הדבר נובע מטבעו של תהליך הקשיית הזכוכית במדפסת שאינו אחיד במרחב. כדי לתת קנה מידה, המדפסות האופטיות הטובות ביותר מאפשרות לאור להתקדם סנטימטר, בעוד ההתקנים שאנחנו יכולים לקפל לצורות תלת מימדיות מאפשרים לאור להתקדם קילומטר, שמהווה שיפור של 10,000 בביצועי מיקרו אופטיקה תלת מימדית.

בהשראת אופן פתיחת קשקשי האצטרובל כדי לשחרר זרעים, טכניקת הלייזר שפיתחנו גורמת לכיפוף מדויק ביריעות זכוכית דקות במיוחד, ויכולה לשמש ליצירת התקנים מיקרו־פוטוניים תלת־ממדיים, שקופים במיוחד וחלקים להפליא, למגוון רחב של יישומים."

במסגרת המחקר, צוות החוקרים דיווח כי שיטת הקיפול החדשה בלייזר מאפשרת יצירת מבנים באורך 3 מ"מ ובעובי של 0.5 מיקרון בלבד – כ־1/200 מרוחב שערת אדם – ובכך נקבע שיא חדש ביחס אורך לעובי במבנים תלת־ממדיים. הם יצרו גם צורות לולייניות ומראות קעורות שקוטרן קטן מעובי שערה.

"בדומה לאופן שבו מדפסות תלת־ממד גדולות יכולות לייצר מגוון פריטים לבית, אוריגמי פוטוני יכול לאפשר מגוון רחב של התקנים אופטיים זעירים," הוסיף כרמון. "למשל, ניתן לייצר באמצעותו עדשות מיקרו־זום שיחליפו את חמש המצלמות הנפרדות שבמרבית הסמארטפונים, או לייצר רכיבי מיקרו־פוטוניקה המשתמשים באור במקום בחשמל – וכך לקדם את המעבר לחלופות אופטיות מהירות ויעילות יותר לאלקטרוניקה המסורתית במחשבים."

שיטת האוריגמי הפוטוני התגלתה במקרה, כאשר כרמון ביקש ממניה לזהות היכן פוגע לייזר בלתי נראה בזכוכית על ידי הגברת ההספק עד שהנקודה תקרון, ממש כמו ברזל מלובן. הזכוכית התקפלה – וכך התגלה פתרון פשוט ובלתי צפוי לקיפול זכוכית. מניה הפכה מאז לחלוצה בתחום האוריגמי הפוטוני.

הזכוכית מתקפלת משום שכאשר צד אחד שלה מחומם בלייזר, היא מתנזלת ומתח הפנים של המשטח גדל ומתגבר על כוח המשיכה. כתוצאה מכך, הזכוכית נמשכת לקיפול בדיוק במקום שבו פוגע הלייזר.

כדי ליישם את התגלית, רונן בן־דניאל יצר שכבה דקה של זכוכית סיליקה על שבב סיליקון ועיצב אותה בצורה הדו־ממדית הנדרשת. לפני קיפול הזכוכית, החוקרים הסירו את הסיליקון שמתחת ליריעה תוך השארת אזור תמיכה קטן להחזקתה במקומה. באמצעות פולסי לייזר הם הראו כי ניתן לקפל יריעות זכוכית דקות שעל שבב סיליקון בפחות מאלפית שנייה, במהירות של 2 מטר לשנייה ובתאוצה   של 200g, תאוצה גדולה פי 20 מזו שמרגיש מטוס קרב.

"זה היה מרגש לראות את הזכוכית מתקפלת מתחת למיקרוסקופ," אמר כרמון. "אני בקהילה שמייצרת מכשירים אופטיים על שבב דו מימדי מזה שנים רבות וחשבתי שראיתי הכל, אולם רמת השליטה שלנו בהפיכת הפוטוניקה לתלת־ממדית הפתיעה אותנו – במיוחד לאור העובדה שהדבר הושג במערך פשוט שכלל קרן לייזר אחת בלבד, ממוקדת בקפל הרצוי כשכל העבודה נעשית, כמובן, תחת מיקרוסקופ."

באמצעות שיטת האוריגמי הפוטוני החדשה הצליחו החוקרים לכופף יריעות זכוכית בעובי של עד 10 מיקרון לצורות מגוונות – החל מ"זווית ברך" של 90 מעלות ועד ללוליינים – עם שליטה עדינה ברמת דיוק של ‎0.1‎ מיקרורדיאן.

"פרופ' כרמון מסכם: "אופטיקה מיקרו־פוטונית תלת־ממדית בעלת ביצועים גבוהים לא הודגמה בעבר. השיטה החדשה מביאה את הפוטוניקה מבוססת הסיליקה – שימוש בזכוכית להכוונה ולשליטה באור – לממד השלישי, ופותחת אפשרויות חדשות לחלוטין למכשירים אופטיים משולבים עתירי ביצועים."

הפוסט חוקרים באוניברסיטת תל אביב פיתחו "אוריגמי פוטוני" הופיע לראשונה ב-Chiportal.

"סוף סוף יש בישראל תשתית אמיתית לחקר וייצור מתקדם של אריזות שבבים תלת-ממדיות, 3D Packaging ומעתה אפשר להפסיק לטוס  מחוץ לישראל כדי לדקק וייפרים", כך אומרת אליס פולקסי-שגב, מנהלת מרכז הננו-טכנולוגיה החדש באוניברסיטת תל אביב, את הבשורה הגדולה לתעשיית המוליכים למחצה בישראל. פולקסי שגב התראיינה ל-CHIPORTAL ביחד עם ניצן כפיף, מנכ"ל פיקוטק שהחברה שלו התקינה את מרבית הציוד במרכז הננו של אוני' ת"א.

השידרוג וחידוש הציוד מתבצע כחלק ממעבר  והקמה מחדש של המרכז לבניין חדש. מדובר בתשתית מחקרית-תעשייתית מהמתקדמות בארץ ובעולם, הכוללת חדר נקי בשטח של 600 מ"ר בתקן Class 100, עשרות מכונותפבריקציה,אפיון, ואינטגרציה של שבבים, וחזון ברור להפוך למוקד מרכזי בשירות תעשיית הפיתוח וייצור התקנים ננומטרים המקומית.

שדרוג משמעותי בשירותי התמיכה בתעשייה

אחד מהחידושים המרכזיים שהמרכז מציע, ביוזמתו של הטכנולוג הראשי של המרכז ולרי גרבר, הוא האפשרות לבצע פעולות שלא ניתן היה לבצע עד כה בישראל- בהן דיקוק וייפרים (Wafer Grinding), הדבקת וייפרים והתקנים (Wafer  Bonding), ברזולוציה גבוהה, ננו-אימפרינט, מיקרוסקופיה מסוג Micro CT  מדויקת ועוד. "עד כה, חברה שרצתה לדקק וייפר נאלצה לשלוח אותו לחו"ל – עכשיו זה סוף סוף נגיש גם כאן", אומרת פולקסי-שגב.

ניצן כפיף, מנכ"ל פיקוטק – חברה ישראלית המספקת בין היתר מכשור מתקדם לתעשיית האריזות התלת-ממדיות – מדגיש את החשיבות של חיבור הדוק בין תעשייה לאקדמיה: "השילוב הזה משנה את כללי המשחק. פתאום יש לחברות איפה לבדוק רעיונות ולבצע ניסויים במעבדה אמיתית, עם תמיכה של אנשי מקצוע ברמה הגבוהה ביותר."

לדבריו, "האתגר האמיתי של התעשייה הישראלית בתחום ה-Advanced Packaging הוא לא רק בהמצאה של טכנולוגיות חדשות – אלא ביכולת לבדוק, לאפיין ולשפר אותן כאן בארץ, מבלי להיות תלויים בגורמים חיצוניים. המרכז החדש באוניברסיטת תל אביב מאפשר בדיוק את זה."

סביבה שתאפשר לסטארטאפים להשלים ייצור שבב מהתחלה עד הסוף בארץ

לדברי השניים, המרכז החדש באוניברסיטת תל אביב משנה את חוקי המשחק גם מבחינת נגישות תשתיתית לחברות תעשייה וסטארט-אפים. אחד החסמים העיקריים שפגשו עד כה יזמים ומהנדסים בתחום החומרה היה העדר תשתית ננו-טכנולוגית פתוחה וגמישה בישראל- תשתית שמאפשרת גישה למכונות ייצור, אינגרציה של שבבים, ואפיון ברזולוציה גבוהה, מבלי להידרש להשקעה של מיליוני שקלים בתשתיות עצמאיות.

ניצן כפיף, מנכ"ל פיקוטק – מהחברות המובילות באספקת ציוד לתחום ה־Advanced Packaging בישראל- הדגיש את המהפכה שהתשתית הזו מאפשרת: "עד היום חברות סטארט-אפ בתחום שלנו נאלצו להסתפק בפתרונות מצומצמים ויקרים בחו"ל – לעיתים אפילו לשלוח וייפרים לגרמניה או טייוואן. עכשיו אפשר פשוט להגיע לתל אביב."

"זה מודל מנצח- החברות מרוויחות תשתית טכנולוגית מתקדמתואנחנו מקבלים שותפים למחקר ולפיתוח. כמה מהחברות שכבר פועלות אצלנו הגיעו להישגים מרשימים מאוד בזמן קצר", מציינת פולקסי-שגב.

תשתית ברמה עולמית

המרכז הוקם לאחר תהליך תכנוני שארך קרוב לעשור, ביוזמת מקימת המרכז פרופ' יעל חנין והנהלת האוניברסיטה, באמצעות תרומתו של רומן אברמוביץ הבניין כולל תשתיות מתקדמות כמו מערכות טיפול במים ובאיכות האויר, בידוד רטט, פדסטלים שקועים למיקרוסקופים רגישים, וכל מה שנדרש על מנת לקיים סביבת עבודה יציבה ומדויקת ברמה של פאב מתקדם בצפון אמריקה או אירופה.

המרכז מונה כיום קהילה של כ-100 חוקרים באוניברסיטת תל אביב, וצוות הפעלה המונה 25 אנשי טכנולוגיה ומדעני תשתית , רובם בעלי ניסיון תעשייתי עשיר.

פולקסי-שגב מסכמת: "המטרה שלנו היא שהמרכז יהיה גם חממה לחברות VLS שישתמשו בתשתיות שלנו כדי לבנות את דור השבבים הבא בישראל. אנחנו בונים כאן קפסולה של חדשנות – גם מחקרית וגם תעשייתית – וכבר עכשיו רואים את הפוטנציאל העצום של השילוב הזה."

ומוסיף כפיף: "המרכז החדש באוניברסיטת תל אביב הוא לא רק מעבדה- הוא תשתית לאומית. זה המקום שבו התעשייה הישראלית יכולה סוף סוף לדלג קדימה, לפתח טכנולוגיות שלא היו אפשריות פה עד עכשיו, ולבנות עתיד טכנולוגי תוצרת כחול־לבן."

הפוסט מהפכת ה- Advanced Packaging מגיעה לאקדמיה הופיע לראשונה ב-Chiportal.

חוקרים מ-NVIDIA, אוניברסיטת תל אביב ואוניברסיטת בר אילן הציגו בכנס הבינה המלאכותית ICLR 2025 בסינגפור את Add-it, שיטה חדשה להוספת פריטים לתמונות באמצעות פקודות טקסטואליות (פרומפטים), ללא צורך באימון נוסף או באופטימיזציה (Fine-tuning) של מחולל התמונות. Add-it מאפשר להוסיף לתמונות אמיתיות, או כאלה שנוצרו על ידי AI, פריטים ממגוון רחב של סוגים – מפריטי לבוש כמו נעליים וכובעים, דרך לוגואים של חברות מסחריות, ועד לבעלי חיים ובני אדם. 

״הוספה של פריט חדש לתמונות באמצעות פרומפט היא משימה מאתגרת שדורשת איזון עדין בין שמירה על הסצנה המקורית לבין שילוב של הפריט החדש בנראות מתאימה ובמקום המתאים״, מסביר פרופ׳ גל צ׳צ׳יק, מנהל מרכז מחקרי הבינה המלאכותית של NVIDIA בישראל, ומי שעומד מאחורי המחקר ביחד עם יועד תבל, רינון גל, דביר שמואל, יובל עצמון וליאור וולף – חוקרים מאנבידיה, אוניברסיטת תל אביב ואוניברסיטת בר אילן. ״מודלים קיימים מתקשים למצוא את האיזון הזה. בשביל לפתור את הבעיה, הרחבנו את מנגנון ה-Attention של מודל הבינה המלאכותית כך שישלב מידע משלושה מקורות – התמונה המקורית, הפרומפט הטקסטואלי והתמונה הסופית. בבדיקות שערכנו, בני אדם העדיפו את התוצאות של Add-it על פני שיטות אחרות ב-80% מהמקרים״.

דוגמאות:

חוקרות וחוקרי NVIDIA הציגו בכנס ICLR 2025 יותר מ-70 מאמרים שבמרכזם חידושים מבוססי AI במגוון תחומים – רכבים אוטונומיים, בריאות, יצירת תוכן, רובוטיקה ועוד. אחד המחקרים הוא SRSA, מסגרת עבודה (Framework) להאצת תהליך הלימוד של רובוטים באמצעות ספריית מיומנויות, שבאמצעותן יכולים רובוטים ללמוד לבצע משימות חדשות. פיתוח נוסף, Proteina, הוא מודל מבוסס ארכיטקטורת Transformer ליצירת שלדי חלבון שמציג פי חמישה יותר פרמטרים בהשוואה למודלים קודמים. 

״ICLR הוא אחד הכנסים המשפיעים ביותר בתחום הבינה המלאכותית, שבו חוקרים מציגים חידושים חשובים שמניעים כל תעשייה ותעשייה״, אמר בריאן קטנזרו, סגן נשיא למחקר בתחום הלמידה עמוקה ב-NVIDIA. ״המאפיין המשותף של המחקרים שהצגנו השנה היה ביכולתם להאיץ את כל השכבות של מערך המחשוב על מנת להגביר את האימפקט והשימושיות של בינה מלאכותית בתעשיות שונות״.

הפוסט חוקרים מאנבידיה ומאוניברסיטאות ישראליות פיתחו שיטה חדשה להוספת פריטים לתמונות באמצעות פרומפט הופיע לראשונה ב-Chiportal.

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.