כוח וורטקס: מערבולת האור המהפכה במחשוב הקוונטי

מחקר חדש של פוטונים במחשוב קוונטי גילה תגלית מפתיעה: כאשר פוטונים מתנגשים, הם יוצרים מערבולות.

חוקרים במכון ויצמן למדע גילו סוג חדש של מערבולת שנוצרה על ידי פוטון אינטראקציות שיכולות להתקדם מחשוב קוונטי.

תופעות וורטקס

מערבולות הן תופעת טבע נפוצה, הניתנת לצפייה בתצורות מתערבלות של גלקסיות, סופות טורנדו והוריקנים, כמו גם במסגרות פשוטות יותר כמו כוס תה מעוררת או המים המתגלגלים במורד ניקוז האמבטיה. בדרך כלל, מערבולות נוצרות כאשר חומר נע במהירות כמו אוויר או מים פוגש אזור שנע יותר לאט, ויוצר תנועה מעגלית סביב ציר קבוע. בעיקרו של דבר, מערבולות משמשות ליישב את ההבדלים במהירויות הזרימה בין אזורים סמוכים.

גילוי של סוג וורטקס חדש

סוג לא ידוע בעבר של מערבולת התגלה כעת במחקר שפורסם ב מַדָע, בניצוחו של ד"ר לי דרורי, ד"ר בנקים צ'נדרה דאס, תומר דנינו זוהר וד"ר גל ווינר מהמעבדה של פרופ' עופר פירסטנברג במחלקה לפיזיקה של מערכות מורכבות במכון ויצמן למדע. החוקרים יצאו לחפש דרך יעילה להשתמש בפוטונים לעיבוד נתונים במחשבי קוונטים ומצאו משהו לא צפוי: הם הבינו שבמקרה הנדיר ששני פוטונים מקיימים אינטראקציה, הם יוצרים מערבולות. לא רק שגילוי זה מוסיף להבנה הבסיסית של מערבולות, הוא עשוי בסופו של דבר לתרום למטרה המקורית של המחקר לשפר את עיבוד הנתונים במחשוב קוונטי.

אינטראקציות פוטון ומחשוב קוונטי

האינטראקציה בין פוטונים – חלקיקי אור שמתנהגים גם כמו גלים – אפשרית רק בנוכחות חומר המשמש כמתווך. בניסוי שלהם, החוקרים אילצו פוטונים ליצור אינטראקציה על ידי יצירת סביבה ייחודית: תא זכוכית בגודל 10 סנטימטר שהיה ריק לחלוטין, מלבד אטומי רובידיום שהיו ארוזים כל כך בחוזקה במרכז המיכל שהם יצרו גז קטן וצפוף ענן באורך של כמילימטר אחד. החוקרים ירו עוד ועוד פוטונים דרך הענן הזה, בחנו את מצבם לאחר שעברו דרכו, ובדקו אם הם השפיעו זה על זה בצורה כלשהי.

כאשר ענן הגז היה בצפיפותו והפוטונים היו קרובים זה לזה, הם הפעילו את הרמה הגבוהה ביותר של השפעה הדדית.

אינטראקציות דינמיות בענני גז צפופים

"כשהפוטונים עוברים דרך ענן הגז הצפוף, הם שולחים מספר אטומים למצבים נרגשים אלקטרונית הידועים כמצבי רידברג", מסביר פירסטנברג. "במצבים אלה, אחד האלקטרונים ב- אָטוֹם מתחיל לנוע במסלול שרוחב פי 1,000 מקוטר של אטום לא נרגש. האלקטרון הזה יוצר שדה חשמלי המשפיע על מספר עצום של אטומים סמוכים, והופך אותם למעין 'כדור זכוכית' דמיוני".

התמונה של כדור זכוכית משקפת את העובדה שהפוטון השני שנמצא באזור אינו יכול להתעלם מהסביבה שיצר הפוטון הראשון, ובתגובה הוא משנה את מהירותו – כאילו עבר דרך זכוכית. לכן, כאשר שני פוטונים עוברים קרוב יחסית זה לזה, הם נעים במהירות שונה מזו שהיו עושים אילו כל אחד היה נוסע לבד. וכאשר מהירות הפוטון משתנה, משתנה גם מיקום הפסגות והעמקים של הגל שהוא נושא. במקרה האופטימלי לשימוש בפוטונים במחשוב קוונטי, מיקומי הפסגות והעמקים הופכים לחלוטין זה לזה, בגלל ההשפעה שיש לפוטונים זה על זה – תופעה המכונה שינוי פאזה של 180 מעלות.

מחקר חלוצי בדינמיקת פוטון

הכיוון שהמחקר קיבל היה ייחודי ויוצא דופן כמו נתיבים של הפוטונים בענן הגז. המחקר, שכלל גם את ד"ר אילון פואמה וד"ר אלכסנדר פודובני, החל לפני שמונה שנים וראה שני דורות של דוקטורנטים עוברים במעבדה של פירסטנברג.

במשך הזמן הצליחו מדעני ויצמן ליצור ענן גז צפוף, קר במיוחד, עמוס באטומים. כתוצאה מכך, הם השיגו משהו חסר תקדים: פוטונים שעברו שינוי פאזה של 180 מעלות – ולפעמים יותר. כאשר ענן הגז היה בצפיפותו והפוטונים היו קרובים זה לזה, הם הפעילו את הרמה הגבוהה ביותר של השפעה הדדית. אבל כאשר הפוטונים התרחקו זה מזה או שהצפיפות האטומית סביבם ירדה, הסטת הפאזה נחלשה ונעלמה.

ההתנהגות המפתיעה של מערבולות פוטון

ההנחה הרווחת הייתה שהיחלשות זו תהיה תהליך הדרגתי, אך לחוקרים צפויה הפתעה: זוג מערבולות התפתח כאשר שני פוטונים היו במרחק מסוים זה מזה. בכל אחת מהמערבולות הללו, הפוטונים השלימו שינוי פאזה של 360 מעלות, ובמרכזם כמעט ולא היו פוטונים כלל – בדיוק כמו במרכז האפל שאנו מכירים ממערבולות אחרות.

המדענים גילו שנוכחותו של פוטון בודד השפיעה על 50,000 אטומים, שבתורו השפיעו על תנועתו של פוטון שני.

תובנות לגבי דינמיקת וורטקס פוטון

כדי להבין את מערבולות הפוטונים, חשבו על מה קורה כאשר אתם גוררים צלחת מוחזקת אנכית דרך המים. התנועה המהירה של המים הנדחפים על ידי הצלחת פוגשת את התנועה האיטית יותר סביבו. כך נוצרות שתי מערבולות שבמבט מלמעלה נראה כאילו הן נעות יחד לאורך פני המים, אך למעשה הן חלק מתצורה תלת מימדית המכונה טבעת מערבולת: החלק השקוע של הלוח יוצר חצי טבעת , המחבר בין שתי המערבולות הנראות על פני השטח, ומאלץ אותן לנוע יחד.

מופע מוכר נוסף של טבעות מערבולת הוא טבעות עשן. בשלבים האחרונים של המחקר, החוקרים צפו בתופעה זו כאשר הציגו פוטון שלישי, מה שהוסיף מימד נוסף לממצאים: המדענים גילו ששתי המערבולות שנצפו בעת מדידת שני פוטונים הן חלק מטבעת מערבולת תלת מימדית. נוצר על ידי השפעה הדדית של שלושת הפוטונים. ממצאים אלה מדגימים עד כמה דומות המערבולות שהתגלו לאחרונה לאלו המוכרות מסביבות אחרות.

התקדמות לקראת עיבוד נתונים קוונטי

ייתכן שהמערבולות גנבו את ההצגה במחקר הזה, אבל החוקרים ממשיכים לעבוד לקראת מטרתם של עיבוד נתונים קוונטי. השלב הבא של המחקר יהיה לירות את הפוטונים זה לתוך זה ולמדוד את הסטת הפאזה של כל פוטון בנפרד. בהתאם לעוצמת הזזות הפאזות, הפוטונים יכולים לשמש כקיוביטים – יחידות המידע הבסיסיות במחשוב קוונטי. בניגוד ליחידות של זיכרון מחשב רגיל, שיכולות להיות 0 או 1, סיביות קוונטיות יכולות לייצג טווח של ערכים בין 0 ל-1 בו זמנית.