מכניקת הקוונטים, תחום של פיזיקה החוקר את הטבע הבסיסי של החומר והאנרגיה, חושפת תופעות כמו עצמים הקיימים במספר מצבים או מקומות, החיוניים לקידום טכנולוגיות מודרניות ותקשורת מאובטחת. קרדיט: twoday.co.il.com
מהי מכניקת קוונטים?
תארו לעצמכם עולם שבו אובייקטים יכולים להיראות כקיימים בשני מקומות בו זמנית או להשפיע זה על זה מכל רחבי היקום.
למרות שאנו לא רואים דברים מסוג זה בחיי היומיום שלנו, נראה שסקרנות דומות קיימות מסביבנו בהתנהגות הבסיסית של היקום שלנו ובאבני הבניין הקטנות ביותר שלו. המאפיינים המיוחדים הללו של הטבע מתוארים על ידי ענף בפיזיקה הנקרא מכניקת הקוונטים.
בסרטון זה של מדע 101: מהי מכניקת קוונטים, קתרין הרמון – חוקרת ארגון בחטיבת מדעי החומרים – מסבירה מהי מכניקת קוונטים. מכניקת הקוונטים היא תיאוריה העוסקת בחלקים הבסיסיים ביותר של חומר, אנרגיה ואור והדרכים שבהן הם מתקשרים זה עם זה כדי להרכיב את העולם. תיאוריית ציון דרך זו מקורה בתחילת המאה ה-20 והיא מוצאת יישומים רבים בעולם האמיתי במאה ה-21. באמצעות יישום מכניקת הקוונטים במעבדה, מדענים של ארגון כמו הרמון ורבים אחרים מפתחים טכנולוגיות שיכולות יום אחד לשנות את החברה ואת הבנתנו את היקום. חיישנים קוונטיים יכלו לזהות תאים סרטניים שלא ניתן היה לזהות בעבר. אינטרנט קוונטי יכול להבטיח תקשורת בלתי ניתנת לפריצה של הודעות ונתונים. מחשבים קוונטיים יכולים לפתור בעיות מורכבות מחשבים קלאסיים לא יכולים. תורת הקוונטים תמשיך גם לקדם את הידע שלנו על היקום מהדינמיקה המורכבת עמוק בתוך אָטוֹם לאירועים קוסמיים גדולים כמו הולדת היקום.
בתחילת שנות ה-1900 החלו מדענים לפתח מכניקת קוונטים על מנת להסביר את התוצאות של מספר ניסויים שסתרו כל פרשנות אחרת. כיום, מדענים משתמשים בתיאוריה הזו כדי ליצור טכנולוגיות חזקות – תקשורת בלתי ניתנת לפריצה של מסרים, גילוי מהיר יותר של תרופות ותמונות באיכות גבוהה יותר על מסכי הטלפון והטלוויזיה שלך.
אז מה זה קוונטי? במובן כללי יותר, המילה "קוונטי" יכולה להתייחס לכמות הקטנה ביותר האפשרית של משהו. תחום מכניקת הקוונטים עוסק בחלקים הבסיסיים ביותר של חומר, אנרגיה ואור ובדרכים שבהן הם מתקשרים זה עם זה כדי להרכיב את העולם.
בניגוד לאופן שבו אנו חושבים בדרך כלל על העולם, שבו אנו מדמיינים לדברים תכונות דמויות חלקיקים או גל בנפרד (כדורי בייסבול וגלי אוקיינוס, למשל), מושגים כאלה לא עובדים במכניקת הקוונטים. בהתאם לסיטואציה, מדענים עשויים לראות את אותו אובייקט קוונטי כדמוי חלקיקים או דמוי גל. לדוגמה, אי אפשר לחשוב על אור כאל רק א פוטון (חלקיק אור) או רק גל אור, כי אנו עשויים לצפות בשני סוגי ההתנהגויות בניסויים שונים.
מדי יום, אנו רואים דברים בכל פעם ב"מצב" אחד: לכאן או לשם, זזים או דומם, צד ימין למעלה או הפוך. מצבו של אובייקט במכניקת הקוונטים לא תמיד כל כך פשוט. לדוגמה, לפני שאנו מחפשים לקבוע את המיקומים של קבוצה של עצמים קוונטיים, הם יכולים להתקיים במה שנקרא סופרפוזיציה – או סוג מיוחד של שילוב – של מיקום אחד או יותר. המצבים האפשריים השונים משתלבים ומפריעים זה לזה כמו גלים בבריכה, ולאובייקטים יש מיקום מוגדר רק לאחר שהסתכלנו. סופרפוזיציה היא אחת התכונות העיקריות שמאפשרות מחשבים קוונטיים מכיוון שהיא מאפשרת לנו לייצג מידע בדרכים חדשות ושימושיות.
התנהגות קוונטית מעניינת נוספת היא מנהור, שבו עצם קוונטי, כמו אלקטרון, יכול לפעמים לעבור דרך מחסומים שאחרת לא היה יכול לעבור דרכם. זה קורה מכיוון שסופרפוזיציה מאפשרת סיכוי קטן שהאלקטרון יהיה בצד השני של המחסום. למנהור קוונטית יש יישומים כמו בהתקני זיכרון פלאש, מיקרוסקופים רבי עוצמה ומחשבים קוונטיים.
כאשר עצמים קוונטיים מקיימים אינטראקציה, הם מקושרים זה לזה באמצעות חיבור הנקרא הסתבכות. חיבור זה מתקיים גם אם האובייקטים מופרדים במרחקים גדולים. איינשטיין כינה את זה "פעולה מפחידה מרחוק". מדענים עושים בו שימוש לתקשורת אולטרה מאובטחת, והיא תכונה חיונית ב מחשוב קוונטי.
במעבדה הלאומית Argonne של משרד האנרגיה האמריקני (DOE), מדענים מנצלים מומחיות ומתקני מחקר ברמה עולמית כדי לפתח טכנולוגיות קוונטיות כדי לאחסן, להעביר ולהגן על מידע, ולחקור את היקום שלנו, מהדינמיקה המורכבת עמוק בתוך אטום. לאירועים גדולים כמו הולדת היקום עצמו. Argonne גם מוביל את Q-NEXT, מרכז מחקר לאומי של מדעי המידע הקוונטי של DOE הפועל לפיתוח חומרים והתקנים קוונטיים ולכידת הכוח של טכנולוגיה קוונטית לתקשורת.
קרדיט: Argonne National Laboratory
מהו מדע מידע קוונטי?
מינוף התנהגות נגד אינטואיטיבית בקנה מידה אטומי כדי ליצור שינויים רבי עוצמה במדעי המידע בקנה מידה מעשי.
מדענים דוהרים לפתח מערכות מבוססות קוונטים שיכולות לאחסן, להעביר, לתמרן ולהגן על מידע.
קוויביטים – ביטים קוונטיים – הם המרכיבים הבסיסיים של מחשוב קוונטי ומערכות מידע קוונטיות אחרות. הם מקבילים לביט במחשבים קלאסיים, או 0 או 1. מה שהופך את הקיוביטים למוזרים באמת הוא שהם יכולים להיות בו-זמנית גם 0 וגם 1. מצב חפיפה זה נותן למחשבים קוונטיים כוח סוס מוגבר מאוד. הקיוביט עצמו יכול לבוא בצורות שונות – אלקטרונים, חלקיקי אור, אפילו פגמים זעירים בחומרים בעלי מבנה גבוה.
מדענים מבקשים לעצב קיוביטים שישמרו על מידע במצבים הקוונטיים שלהם למשך שניות ("קוהרנטיות") ויכולים לקשר עם קיוביטים אחרים ("הסתבכות").
טכנולוגיות קוונטיות יכולות לשנות את הביטחון הלאומי והפיננסי, את גילוי התרופות ואת התכנון והייצור של חומרים חדשים, תוך העמקת הבנתנו את היקום.
