כשחלקיק אור רואה את האור

• מדעני מכון ויצמן חיפשו איך לבסס שיטה יעילה לעיבוד מידע במחשבים קוונטיים – וגילו במפתיע סוג חדש של מערבולות הנוצרות במפגש בין שני פוטונים

מערבולות הן תופעה פיסיקלית מוכרת שאותה אפשר למצוא במבנה של גלקסיות, בסופות טורנדו והוריקן, בכוס תה או במים המתנקזים מהאמבטיה. לרוב, מערבולות נוצרות במפגש פתאומי בין אזור של תנועה מהירה מאוד לאזור שבו התנועה איטית, והן מתאפיינות בזרימה מעגלית מסביב למוקד נייח. לפיכך, תפקיד המערבולות הוא לגשר על המתח בין סביבות קרובות שבכל אחת מהן מהירות הזרימה שונה.

מערבולות מסוג שלא היה מוכר עד כה נחשפו במחקר של ד”ר לי דרורי, ד”ר בנקים צ’נדרה דס, תומר דנינו זוהר וד”ר גל וינר ממעבדתו של פרופ’ עופר פירסטנברג מהמחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות במכון ויצמן למדע. החוקרים יצאו לדרך במטרה לבסס שיטה יעילה לעיבוד מידע במחשבים קוונטיים באמצעות פוטונים – וגילו במפתיע מערבולות שנוצרות במפגש, הנדיר כשלעצמו, בין שני פוטונים.

אינטראקציה בין פוטונים – חלקיקי אור שמתאפיינים גם בתכונות של גלים – אפשרית רק בתיווך חומר. במסגרת הניסוי, החוקרים הפגישו בין פוטונים באמצעות יצירה של סביבה ייחודית: מכל זכוכית באורך כ-10 ס”מ שהינו ריק לגמרי, למעט אטומי רובידיום הדחוסים במרכזו לכדי ענן גז קטן וצפוף שאורכו כמילימטר. החוקרים ירו עוד ועוד פוטונים אל ענן הגז הדחוס, מדדו את מצבם אחרי שחלפו דרכו וחיפשו אחר סימנים להשפעה הדדית ביניהם.

מסביר פרופ’ פירסטנברג: “הפוטונים שנכנסים אל ענן הגז הצפוף מעוררים שורה של אטומים למצבים אקזוטיים הנקראים מצבי רידברג. במצבים אלה, אחד האלקטרונים באטום נע במעגל שקוטרו פי אלף ויותר מקוטרו של האטום. אלקטרון זה מייצר שדה חשמלי שמשפיע על אטומים רבים בסביבתו והופך אותם למעין ‘כדור זכוכית’ דמיוני”. הדימוי של כדור זכוכית נועד לשקף את העובדה שפוטון שני שנקלע למקום אינו יכול להתעלם מהמצב שיצר סביבו הפוטון הראשון, והוא משנה בתגובה את מהירותו כאילו עבר דרך זכוכית. לכן, כאשר שני פוטונים חולפים קרוב יחסית זה לזה, מהירותם שונה מזאת שהייתה לוּ התקדם כל אחד מהם לבדו. עם מהירות הפוטון, משתנה גם הקצב שבו הוא מגיע לנקודות השיא והשפל שלו. במקרה האידיאלי, המיקומים של נקודות הגאות והשפל של הפוטונים מתהפכים לחלוטין בשל ההשפעה ההדדית ביניהם, תופעה המכונה שינוי פאזה של 180 מעלות.

המסלול של הפוטונים בענן הגז ייחודי, וגם המסלול של המחקר עצמו היה יוצא דופן. המחקר, שבו השתתפו גם ד”ר אילון פואם וד”ר אלכסנדר פודובני, החל לפני שמונה שנים ובמהלכו התחלפו שני דורות של דוקטורנטים במעבדה של פרופ’ פירסטנברג. בהדרגה, הצליחו מדעני המכון ליצור ענן גז קר מאוד, דחוס וצפוף יותר באטומים – והגיעו להישג בקנה מידה עולמי של פוטונים שעברו שינוי פאזה של 180 מעלות, ואף מעבר לכך. בשיא הצפיפות של ענן הגז וכאשר הפוטונים צמודים אחד לשני – עוצמת ההשפעה ביניהם הינה מקסימלית. אך כשהפוטונים מתרחקים זה מזה או כשצפיפות האטומים סביבם יורדת – שינוי הפאזה נחלש ונעלם. אפשר היה להניח שירידת העוצמה הזו תהיה הדרגתית ותו לא, אך אז התגלתה התוצאה הבלתי-צפויה: צמד מערבולות שמתפתחות כאשר שני הפוטונים נמצאים במרחק מסוים זה מזה. בכל אחת מהמערבולות, הפוטונים משלימים שינוי פאזה מלא של 360 מעלות, ובמרכז שלהן כמעט שלא נמצאים פוטונים – כמו במוקד החשוך שמוכר ממערבולות אחרות.

מערבולות הפוטונים האלה דומות למצב שנוצר כאשר דוחפים צלחת במים, והתנועה המהירה של המים כתוצאה מדחיפת הצלחת פוגשת את התנועה האיטית סביבה. אז נוצרות שתי מערבולות שנראות מעל פני המים כשהן נעות יחד. בשלבים האחרונים של המחקר, הוסיפו מדעני המכון לניסוי פוטון שלישי, שהראה עד כמה דומות המערבולות שמצאו לאלה המוכרות מסביבות אחרות. הפוטון השלישי הוסיף לממצאים ממד שלישי, וכך התגלה כי שתי המערבולות שנצפו במדידה של שני פוטונים הן למעשה חלק מתופעה ידועה של טבעת מערבולות. כך למשל, החלק של הצלחת השקוע במים יוצר חצי טבעת שמחברת בין שתי המערבולות שנראות מעל פני המים וגורמת לכך שהן נעות יחד. מקרה מוכר נוסף של טבעת מערבולות מתגלה בהפרחה של טבעת עשן, שמורכבת למעשה ממערבולות רבות שנעות יחד באוויר.

אמנם המערבולות גנבו במפתיע את ההצגה, אבל החוקרים ממשיכים אל עבר היעד של עיבוד מידע קוונטי. בניסויי המשך, הם מתכננים לשלוח את הפוטונים אחד אל מול השני כדי למדוד את השינוי בפאזה של כל פוטון בנפרד. בהתאם לעוצמת השינוי בפאזה של הפוטון, הוא יוכל לשמש בתור קיוביט – יחידת זיכרון של מחשב קוונטי, שבניגוד לזיכרון רגיל שנמצא רק במצב של 0 או 1, יכולה להיות גם במצבי ביניים.