השופטים קבעו כי החוקרים התגברו על אתגרים מדעיים מורכבים והעבודה היא אבן דרך חשובה לקראת בנייה של מעבד קוונטי משובץ אובייקטים מכאניים כתאי זיכרון.
ד"ר שלומי קוטלר מהמחלקה לפיזיקה יישומית באוניברסיטה העברית, זכה בפרס "התגלית המדעית של השנה בפיזיקה" של האגודה הפיזיקאים הבריטית. הציון לשבח ניתן על עבודת המחקר שפורסמה השנה בכתב העת המדעי היוקרתי 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.
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 העת Physics 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.
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. (קובץ עם נימוקי הפרס באנגלית מצורף הודעה)
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.
בזכות מחקר פורץ דרך שפורסם ב-Science – שזירה קוונטית יוצאת מן הצללים
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, שזירה קוונטית יכולה להועיל לפרוטוקולי תקשורת חדשניים, לייצור של מספרים אקראיים מאומתים, ובסופו של דבר, למה שכולם מייחלים לו – יצירת מחשב קוונטי. על מנת ששזירה קוונטית תהייה מועילה, יש למדוד את החתימה הניסיונית הנכונה המעידה כי הגופים שזורים. אלא שכאן מתערבים תהליכי רעש מסוגים שונים, כשבדרך כלל לחוקרים נשארים רק רמזים קלושים על השזירה – ״צל״ ממנו ניתן להסיק רק בדיעבד שאולי הייתה שם פעולת שזירה כלשהי. יתרה מכך, המשימה נעשית קשה ככל שהגופים השזורים גדולים יותר. אלו נוטים להיות מעורבים ביותר תהליכי רעש, ובו בזמן דיוק המדידה הנדרש לגביהם גדול יותר מזה הנדרש לגופים קטנים. לא בכדי רוב ההצלחות לייצר ולמדוד שזירה קוונטית מוגבלים לאטומים ומולקולות בודדות.
עבודת המחקר החדשה, שפורסמה השבוע (חמישי) בכתב העת המדעי היוקרתי Science, בוצעה 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.
תופים מכאניים הם יחידות זיכרון קוונטי המבוססות על אלמנטים מכאניים זעירים. כל תוף עשוי מאלומניום מוליך-על, שנראה כמו טרמפולינה זעירה המשובצת בתוך התקן מיקרו-גל (microwave chip), ומיוצר בתהליכים הדומים לדרך בה מייצרים שבבי מחשב רגילים. הייחוד שלהם הוא בכך שהם מאחסנים מידע בשיטה שאינה חשמלית. בניגוד לזיכרון רגיל של מחשבים קלאסיים כאן המידע מקודד ברעידות הזעירות של התנועה המכאנית של התופים.
החוקרים פיתחו טכניקה לייצר מצבים שזורים באותם תופים מכאניים על פי דרישה(on-demand) , ובנוסף טכניקת מדידה חדשנית. בטכניקת המדידה הרגילה הצליחו למדוד, עד כה, בעיקר רעש שאיננו קשור לתופים עצמם. רעש זה הסתיר את רוב המידע ואפשר לקבוע האם הייתה השזירה קיימת, רק בדיעבד. בטכניקה החדשה שפורסמה במחקרו של דר' קוטלר, על ידי הארה של התופים בגלי מיקרו-גל שנתפרו לבעיה, השזירה הקוונטית נצפתה מעל צללי הרעש שפעם הסתירו אותה. החוקרים הסבו שיטות מיקרו-גל של טכנולוגית סלולר מתקדמת, שלרוב משמשת את תעשיית הסמארטפונים, על מנת למדוד תופים קוונטים.
עבודה זו היא אבן דרך חשובה לקראת בנייה של מעבד קוונטי משובץ אובייקטים מכאניים כתאי זיכרון. ד"ר קוטלר גילה במחקר הנוכחי כי תופים מכאניים יכולים לשמור על מידע קוונטי לזמן ממושך. שזירה ומדידה מאפשרים להיעזר בזיכרון המכאני הזה ולעבד עליו מידע. גישת חישוב קוונטי זו אומצה לאחרונה על ידי התעשייה (אמזון) כאחד מהמאמצים החשובים לבניית מחשב קוונטי. "עבור אובייקטים כה גדולים שכמעט ניתן לראותם בעין, שזירה קוונטית לרוב נעדרת מחיי היום יום, סמויה באלמוניותה. כעת, בזכות עבודה זו, שזירה קוונטית כבר לא נחבאת בין הצללים", מסביר ד"ר קוטלר השבוע.
שלב ביצוע המחקר היה מרתק. החוקרים תכננו שבב אלקטרוני הדומה מאוד לשבבים הנמצאים במכשירי סלולר, אלא שבנוסף למעגלים החשמליים הרגילים החוקרים שיבצו את שני התופים המכאניים הזעירים, כך שכאשר הם זזים נגרם שינוי במעגל החשמלי אותו ניתן למדוד בעזרת גלי מיקרו-גל. שיטה זו דומה מאוד לשיטה בה שוטרים תופסים נהגים שנוהגים מעבר למהירות המותרת. השוטר משתמש ברדאר על מנת לשדר גלי מיקרו-גל לעבר הרכב הנוסע. גלי המיקרו-גל חוזרים לעבר הצופה בתדר קצת שונה מהתדר בו הם שודרו. אפקט זה מכונה אפקט ״דופלר״ וניתן להשתמש בו על מנת לקבוע מה הייתה מהירות הרכב הנוסע.
בעבודה זו, החוקרים שידרו גלי מיקרו-גל לעבר התופים הזעירים. גלים אלו פגעו בתופים וחזרו מהם עם הזזת ה״דופלר״, בדומה למכונית נוסעת. מהזזת ה"דופלר" ניתן היה לקבוע את מצב התופים, ולהסיק שהם שזורים. כדי ליצור שזירה החוקרים השתמשו בתכונה אחרת של גלי מיקרוגל. כאשר גלים אלו פוגעים בעצמים קטנים, הם יכולים לשנות את מצב התנועה שלהם: לדחוף או למשוך אותם, בדומה לכך שגלים בים יכולים להזיז מצופים או כלי שיט. תופעה זו נקראת ״לחץ קרינה״. תכנון קפדני של לחץ הקרינה של פולס מיקרו-גל אפשר לשנות את מצב התנועה של שני התופים כך שיהיה מסונכרן במידה כה גבוהה עד שנוצר מצב שזור. לכן על ידי שימוש בפולסים של מיקרו-גל ניתן היה לשזור את התופים בשלב הראשון של הניסוי ואז למדוד אותם על ידי פולסים אחרים, בשלב השני של הניסוי. העובדה שניתן היה להפריד בין שלבי הניסוי אפשרה אופטימיזציה בלתי תלויה של כל חלק. פולס שאידאלי ליצירת שזירה לאו דווקא אידאלי למדידה של השזירה.
המחקר עצמו נעשה בטמפרטורות קרות, הקרובות למינוס 273 מעלות צלסיוס. בטמפרטורות אלו, מעגלי מקרו-גל חשמליים מפסיקים להתנהג באופן היומיומי שלהם, ומתחילים להתנהג על פי תורת הקוונטים. מעגלים מקוררים מסוג זה משמשים היום בתעשייה על מנת לבנות אבי טיפוס של מחשבים קוונטים.