שני חלקיקים קוונטיים החולקים תכונות שונות בצורה מיוחדת מסוגלים להפוך לשזורים. במילים אחרות, תכונותיהם נעשות משותפות ואיננו יכולים להתייחס לשניהם כאל חומרים שונים, למרות שהם יכולים להיות רחוקים זה מזה מרחק שנות אור. השזירה הקוונטית הופכת אותם למערכת אחת בלתי ניתנת להפרדה. החלקיקים מתנהגים בצורה מתואמת ומשתנים בהתאם, כך שמדידות של תכונותיהם הפיזיקליות המשנות אחת מהם ישפיעו באופן מיידי על אותה התכונה בחלקיק השני. אלברט איינשטיין שחקר את התופעה היה משוכנע בזמנו כי אותו קשר מסתורי שמצוי בין חלקיקים שזורים בלי קשר למיקום שלהם – תופעה שכונתה "אי-מקומיות קוונטית" – מוכיח שמכניקת הקוונטים אינה תיאוריה שלמה וכינה את הקשר כ"פעולה של רוחות רפאים".

ראו גם:

• פרופ' חגי אייזנברג בראיון ל-Chiportal: המהפכה הקוונטית לא תוכל להתקיים בלי תקשורת מאובטחת
• לקראת ChipEx2020: המהפכה הקוונטית לא תוכל להתקיים בלי תקשורת מאובטחת
• ChipEx2020 – פנל המגמות מציג: מהפכה קוונטית, חיישנים חכמים ועצמאים ואנליזה של שבבים בעזרת ביג דטה

במאמר חדש שפורסם בכתב העת היוקרתי Nature Communications מציעה קבוצת המחקר של פרופ' חגי איזנברג בה לקחו חלק שני הדוקטורנטים דניאל איסטרטה ויהודה פילניאק ממכון רקח באוניברסיטה העברית בירושלים, דרך ליצירת משאב חשוב באופטיקה הקוונטית והוא מצב שזור ENTANGLED STATE של מספר פוטונים המאוגדים יחד, לא רק שניים. יצירה של מצב קוונטי שבו יהיו מספר רב של חלקיקים מהווה כיום מבחינה מדעית פריצת דרך משמעותית בטכנולוגיה הקוונטית, שתאפשר תקשורת קוונטית רבת משתתפים, מיחשוב קוונטי מתקדם כמו גם אישוש תיאוריות קוונטיות שונות ועוד. בהקשר לכך, ראוי לציין את דבריו של הפיזיקאי הבריטי ג'ים אל-חלילי, שטען כי מחשב קוונטי שיצליח לשמור על שזירה בין 300 אטומים בלבד יהיה מסוגל לבצע משימות חישוביות מסוימות טוב יותר ממחשב בינארי בגודל היקום כולו, או שיוכל לבצע בשניות ספורות משימות שמחשב רגיל לא יספיק לבצע במשך זמן השווה לכל תוחלת חייו של היקום. עד כה, מערכות שניסו להגדיל את כמות הפוטונים במצב השזור נדרשו להוסיף מקורות רבים של ציוד ושל גלאי האור במערכות הללו. צורך זה שם מגבלה ממשית על יישומן המעשי של פיתוח מערכות עתידיות מבוססות פוטונים לצורכי עיבוד קוונטי. עבודתם של קבוצת המחקר של פרופ' חגי איזנברג מהאוניברסיטה העברית משנה את התמונה.

הפעם הראשונה שבה יוצר בהצלחה מצב קוונטי שזור של ארבעה פוטונים

העבודה הנוכחית נעשתה בשיתוף פעולה בינלאומי עם אחת המעבדות המובילות בעולם – זאת של פרופ' פסקל סנלאר מאוניברסיטת פריז סאקליי, שמומחיותה בייצור של מקורות איכותיים המסוגלים לפלוט פוטונים בצורה בדידה, באיכות ובקצבים גבוהים. החוקרים הצליחו להרכיב מערכת שהדגימה בהצלחה יתרה יצירת מצבים קוונטיים שזורים של עד ארבעה פוטונים שזורים יחד. למעשה, זוהי הפעם הראשונה שבה יוצר בהצלחה מצב קוונטי שזור של ארבעה פוטונים באמצעות מקור בודד אחד המסוגל לפלוט פוטונים בצורה יזומה, תוך כדי שימוש בשני גלאי אור ומספר בודד של אלמנטים אופטיים. תוצאות המחקר עשויות להביא עמן בשורה מבטיחה לספק הזדמנות חדשה לחקר תופעות קוונטיות והן ליישומה בטכנולוגיות המבוססות על עיבוד מידע קוונטי רבות משתתפים בצורה פשוטה וניידת.

כברת דרך בהשגת המדידות

הדוקטורנטים דניאל איסטרטה ויהודה פילניאק, מתוך קבוצת המחקר של פרופ' חגי איזנברג, משתפים: "למרות שבתיאוריה ציפינו לתוצאות חיוביות בהצלחת השזירה, היה צורך לעבור כברת דרך לא פשוטה בהשגת המדידות התומכות בה. בשלב הראשוני לאחר הגעת המערכת לצרפת, נדרשנו לאפיין את המערכת על-סמך מדידות מקדימות שעשינו במקום. האפיון גילה שעלינו לכייל את המערכת בצורה לא-שגרתית לה לא ציפינו. ברם, הודות לגמישותה של המערכת, יכולנו לבצע זאת במקום. התוצאות הראשונות עם המערכת המכויילת ומקור הפוטונים שכוייל בהתאם, הראו בצורה חד-משמעית את פעולת השזירה על שני פוטונים. כאשר זה קרה, מאוד התרגשנו והבנו שבמערכת שפיתחנו נוכל ללכת עוד צעד קדימה ואכן, הצלחנו להראות שזירה של שלושה וגם ארבעה פוטונים. שמחנו מאוד שהצלחנו להשיג את התוצאה הזאת".

מטרה חשובה נוספת שהשיג המחקר היא הקטנת המערכת המקורית בצורה כזאת שתאפשר את ניידותה, ולכן תהווה צעד משמעותי אל עבר יישומן המעשי של מערכות עתידיות מן הסוג הזה. המערכת המקורית איתה הודגם רעיון השזירה המחזורית, נפרשה לאורך שבעה מטרים במעבדה. לראשונה, השימוש במקור של הקבוצה הצרפתית אפשר תיכנון שלם של המערכת המושתת רובו ככולו רק על שימוש ברכיבים של סיבים אופטיים. הרעיון הבסיסי העומד במרכז המערכת הוא "מיחזור" הפוטונים – פוטונים שנוצרו בזמן מאוחר יותר יוכלו לפגוש בפוטונים שנוצרו מוקדם יותר. התוצאה הסופית הביאה להקטנה משמעותית בגודלה של המערכת, לכדי גודל של מחשב שולחני קטן, ובכך הוכיחה את האפשרויות היישומיות הגלומות במערכת. הקטנה זו של המערכת אפשרה למעשה את שליחתה בין המדינות (מישראל לצרפת), הישג חשוב ובר משמעות כשלעצמו.

למאמר המדעי

הפוסט חוקרים ישראלים הצליחו לשזור קוונטית ארבעה פוטונים במערכת קומפקטית הופיע לראשונה ב-Chiportal.

כמו כל דבר (ויש המוסיפים – בצה"ל) גם את המיחשוב הקוונטי אפשר לחלק לשלושה חלקים: עיבוד קוונטי , תקשורת (שידרוג של שני תחומים שמהווים גם היום את הבסיס של המיחשוב) ובנוסף – תחום חדש – שימוש באלגוריתמים ובשיטות קוונטיות לשיפור מכשירי מדידה (לדוגמה CT בגודל של קופסת נעליים).

פרופ' חגי איזנברג, מדען ראשי בחברת QuantLR ופרופסור במכון רקח לפיזיקה באוניברסיטה העברית ישתף את הצופים בכנס ChipEX2020 Digital שיתקיים ב-16 בספטמבר באתגרים העומדים בפיתוח הצפנה קוונטית של סיבים אופטיים, שלא תהיה פריצה גם על ידי אלגוריתמים קוונטיים. איזנברג הוא פיזיקאי

"בתחום העיבוד או החישוב הקוונטי אנו רוצים שגם תאי החישוב וגם השערים הלוגיים יעבוד לפי תורת הקוונטים – כלומר שיש בהם אפשרות לטפל בו זמנית בהרבה יותר מאשר אפסים ואחדים, ובתחום התקשורת – אם נוכל להעביר ביטים קוונטיים ממקום למקום נוכל ליצור קווי תקשורת בטוחים יותר.

"כשמדברים על הצפנת קו תקשורת בטכנולוגיה הנוכחית צריך להשתמש בגישה רב שכבתית אבל השכבה החשובה ביותר היא השכבה הראשונה – יצירת סוד משותף. האנשים שמתקשרים אחד עם השני צריכים שיהיה להם מפתח משותף שיהיה רק לשניהם והוא יועבר באמצעות שרשרת סודית של ביטים. כל השכבות יקרסו אם המצותת יוכל לחקות את מה שעשינו בשלבי ההצפנה האחרים בהתבסס על המפתח. השלב הזה היום בתקשורת נעשה בעזרת אלגוריתמים שהכי נפוץ מביניהם הוא RSA , כאשר ה-S הוא על שמו של פרופ' עדי שמיר ממכון ויצמן ,המבוסס על מפתח ציבורי ומפתח פרטי.

מה שמשותף ל-RSA ולשיטות אחרות היא שבמרכזן עומדת חידה מתמטית שקל לשאול אותה אבל קשה לענות עליה, במקרה של RSA מדובר בהכפלה של שני מספרים ראשוניים גדולים, כאשר אני יודע רק את התוצאה הסופית ולא את המספרים שהוכפלו. "הדגש הוא שקשה מאוד לפרוץ את השיטות האלה, אבל לא בלתי אפשרי. אם אתן לך את המספר 15 ובסוף תגיד 3 כפול 5. כל הזמן יש אתגרים באינטרנט של פיענוח המספרים הראשוניים הארוכים יותר ויותר. אנו גם יודעים שיש גופים שמצותתים למידע המוצפן ויפענחו אותו בהזדמנות הראשונה שבה הדבר יהיה אפשרי. ואולם יש גם מידע שאיננו מעונינים שייפתח גם בעוד הרבה שנים – כגון מידע בטחוני או מידע רפואי."
"ובעיית הבעיות – התיאוריטיקנים שפיתחו את המחשב הקוונטי הראו לפני כ-25 שנה שאם וכאשר ייבנה מחשב קוונטי בקנה מידה מלא אפשר יהיה להריץ עליו אלגוריתמים שיפרצו את RSA באורח קל – בצורה יעילה ומהירה. עבור מחשב קוונטי הבעיה הזו קלה ביותר."

"הפרוטוקול של ההצפנה הקוונטית הופיע כבר בשנת 1984, בלי שזה בכלל היה רלוונטי. אף אחד גם לא ניסה ליישם אותו אבל ברגע שהבינו שהמחשבים הקוונטיים קיימים גם הפרוטוקול הזה אומץ. אם אשתמש במפתח קוונטי אוכל לייצר הצפנה בלתי פריצה. החברה שלנו והטכנולוגיה הזו בכלל מחפשת דרכים איך לקחת רשתות תקשורת אופטית קיימות ובמינימום שינויים ומינימום השקעה כספית להעביר להם את ההצפנה. צריכים להעביר פוטונים בודדים. יכולים להשתמש באותם סיבים שמשמשים לתקשורת היום, ולשלב את ההצפנה על רשתות התקשורת."

ChipEx2020 יתקיים השנה בגרסה וירטואלית. בכנס ישתתפו למעלה מ-30 מרצים ומנחים כולל מיטב המומחים מאמזון, אריקסון, גוגל, TSMC, NVIDIA, סמסונג, מנטור ואינטל. ב-ChipEx2020 תוכלו להתעדכן בכל מה שחם וחדש בתעשיה בתחומי ה- Quantum Computing , RISC V, 5G, Artificial Intelligence, Chip Security ועוד.

להרשמה מהירה לחצו כאן

הפוסט לקראת ChipEx2020: המהפכה הקוונטית לא תוכל להתקיים בלי תקשורת מאובטחת הופיע לראשונה ב-Chiportal.