ד"ר שלומי קוטלר מהמחלקה לפיזיקה יישומית באוניברסיטה העברית, זכה בפרס "התגלית המדעית של השנה בפיזיקה" של האגודה הפיזיקאים הבריטית .אפשר ללמוד מעט על המעמד, בהתבסס על התגליות שזכו בשנים הקודמות לציון לשבח:  גילוי חלקיק ה- Higgs Boson שבמשך שנים קיומו היה בגדר היפותזה בלבד, גלי גרביטציה, גילוי ראשון של ניורינט קוסמי עם אנרגיה גבוהה ונחיתה של גשושית על כוכב שביט. חבר השופטים מורכב מחמשת עורכי כתב העתPhysics World , שבחרו תגליות פורצות דרך מבין מאות מהעבודות שפורסמו בשנת 2021. הקריטריונים לבחירה הינם התקדמות משמעותית בידע או בהבנה, חשיבות העבודה עבור המדע הבסיסי או פיתוח טכנולוגי, והיותו בעל עניין לכלל קוראי כתב העת. 

הציון לשבח ניתן על עבודת המחקר שפורסמה השנה בכתב העת המדעי  Science, שבוצעה על ידי ד"ר שלומי קוטלר, מהמחלקה לפיסיקה יישומית באוניברסיטה העברית, במכון הלאומי (האמריקאי) לסטנדרטים וטכנולוגיה, יחד עם קבוצת המחקר לפוטוניקת מיקרו-גל מתקדמת בהובלת ג׳ון טופול וקבוצת התיאוריה של חישוב ותקשורת בהובלת עמנואל קניל וסקוט גלנסי.  החוקרים הצליחו לצפות באופן ישיר במצב קוונטי שזור של שני תופים מכאניים, כל אחד בגודל קרוב לקוטר שערה אנושית.  

שזירה קוונטית (quantum entanglement) היא אחת התופעות המרתקות ביותר של מכניקת הקוונטים. אם מתרחשת תופעה זו, שני גופים נפרדים זה מזה יכולים לבטא מתאם חזק גם ללא החלפת מידע ביניהם. בשימוש נכון, השזירה יכולה להועיל לפרוטוקולי תקשורת חדשניים, לייצור של מספרים אקראיים מאומתים, ובסופו של דבר, למה שכולם מייחלים לו – יצירת מחשב קוונטי. השופטים קבעו כי החוקרים התגברו על אתגרים מדעיים מורכבים והעבודה היא אבן דרך חשובה לקראת בנייה של מעבד קוונטי משובץ אובייקטים מכאניים כתאי זיכרון. 

לדברי ד"ר קוטלר: ״אני שמח ומאוד מתרגש מהזכיה בתואר הכבוד.  צריך להבין- הדרך במחקר שלנו מאוד ארוכה ומתבססת על לא מעט סיכונים. אם נעשה את כל הדברים נכון, יש סיכוי לראות שזירה מאקרוסקופית באופן ישיר. היה לילה שבו הרצנו את הניסוי האחרון בסדרה ואני אישית התפללתי שלמחרת בבקר נראה שזירה. אם התוצאה היתה שלילית כל העבודה שנמשכה 4 שנים, הייתה מסתכמת בכישלון.  תודה לאוניברסיטה העברית ולמחלקה לפיזיקה יישומית והמרכז הקוונטי שהאמינו במחקר שלי לאורך השנים. "

פרופ' דן מרום, ראש מחלקת פיזיקה יישומית: " זוהי פריצת דרך בהרחבת גבולות הפיזיקה של מכניקת הקוונטים והתאמתו ליישומים כמו תקשורת וזכרונות קוונטים ארוכי טווח. אגודת הפיזיקה זיהתה בצדק הישג זה כפריצת הדרך המדעית של שנת 2021.

הפוסט הוקרה לחוקר מהאוניברסיטה העברית על התקדמות בתחום המיחשוב הקוונטי הופיע לראשונה ב-Chiportal.

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.