חוקרים בפקולטה להנדסת חשמל ומחשבים ע"ש ויטרבי והפקולטה לפיזיקה מציגים בכתב העת Nature גילוי משמעותי שיתרום למזעור רכיבים למערכות קוונטיות. את המחקר הובילו הדוקטורנט עמית קם וד"ר שי צסס (כיום פוסט-דוקטורנט ב-MIT) מקבוצת המחקר של פרופ' גיא ברטל בשיתוף עם קבוצות המחקר של פרופ' מחקר מוטי שגב ופרופ' מאיר אורנשטיין. השתתפו בו ד"ר יגאל אילין, ד"ר קובי כהן, ליאור פרידמן וסתיו לוטן מהפקולטה להנדסת חשמל ומחשבים ע"ש ויטרבי וד"ר יעקב לומר, ד"ר אנטולי (טוליק) פצוק וליאת נמירובסקי-לוי מהפקולטה לפיזיקה.
פיזיקת הקוונטים מובילה לעיתים לתחזיות מאוד לא שגרתיות. כך קרה הדבר כשאלברט איינשטיין ועמיתיו, בוריס פודולסקי ונתן רוזן (שלימים הקים את הפקולטה לפיזיקה בטכניון והיה פרופסור מחקר), מצאו תרחיש שבו ידיעת המצב של חלקיק אחד משפיעה באופן מיידי על מצבו של החלקיק האחר, ולא חשוב כמה גדול המרחק ביניהם. מאמרם ההיסטורי מ-1935 זכה בכינוי EPR על שם שלושת מחבריו(Einstein–Podolsky–Rosen) . הרעיון שידיעת מצבו של חלקיק אחד תשפיע על חלקיק אחר הנמצא במרחק עצום ממנו, וזאת בלי אינטראקציה פיזית ובלי העברת מידע, נראה לאיינשטיין מופרך, והוא כינה זאת "פעולה מוזרה ממרחק" (spooky action at a distance); אך עבודה פורצת דרך של חוקר נוסף מהטכניון, פרופ'-מחקר אשר פרס מהפקולטה לפיזיקה, הראתה כי אפשר להשתמש בתכונה זו כדי להעביר מידע בצורה נסתרת – טלפורטציה קוונטית, שהיא הבסיס לתקשורת קוונטית. תגלית זו הושגה על ידי פרופ' פרס עם עמיתיו צ'ארלס בנט וז'יל ברסארד. לימים קיבלה התופעה את השם המדעי שזירות קוונטית (quantum entanglement), ועל מדידתה והשלכותיה, הכוללות את האפשרות למחשוב קוונטי ותקשורת קוונטית, הוענק פרס נובל בפיזיקה לשנת 2022 לפרופסורים אלן אספה ואנטון ציילינגר, שקיבלו בעבר תוארי דוקטור לשם כבוד מהטכניון, ולעמיתם פרופ' ג'ון קלאוזר.
שזירות קוונטית הודגמה עד כה עבור מגוון רחב של חלקיקים ועבור תכונות שונות שלהם. עבור פוטונים, חלקיקי אור, שזירות יכולה להתקיים עבור כיוון ההתקדמות, התדר (צבע), או הכיוון אליו מצביע השדה החשמלי שלהם. היא יכולה להתקיים גם עבור תכונות שקשה יותר לדמיין, למשל – תנע זוויתי. תכונה זו מתחלקת לסחרור (spin), הקשור בפוטונים לסיבוב השדה החשמלי, ולמסילה (orbit), הקשורה לתנועה הסיבובית של הפוטון במרחב. דבר זה דומה באופן אינטואיטיבי לכדור הארץ, המסתובב סביב עצמו וגם מקיף את השמש במסלול מעגלי. קל לנו לדמיין את שתי תכונות הסיבוב הללו כגדלים נפרדים, ואכן, פוטונים המאוגדים באלומת אור רחבה בהרבה מאורך הגל שלהם הם באמת כאלה. ברם, כשמנסים להכניס פוטונים למבנים הקטנים מאורך הגל הפוטוני – שזהו המאמץ שבו עוסק תחום הננו-פוטוניקה – מגלים שאי אפשר להפריד בין תכונות הסיבוב השונות, והפוטון מאופיין על ידי גודל יחיד, התנע הזוויתי הכולל.
אז למה שנרצה בכלל להכניס פוטונים למבנים קטנים כל כך? לכך יש שתי סיבות עיקריות. האחת ברורה – זה יעזור לנו למזער התקנים שמשתמשים באור וכך לדחוס יותר פעולות לתא שטח קטן, בדומה למזעור של מעגלים אלקטרוניים. הסיבה הנוספת חשובה עוד יותר: מזעור זה מגביר את האינטראקציה בין הפוטון לחומר שדרכו הפוטון מתקדם (או נמצא בקרבתו), וכך מאפשר לייצר תופעות ושימושים שאינם אפשריים בפוטונים בממדים ה"רגילים" שלהם.
במחקר שפורסם בכתב העת Nature גילו חוקרי הטכניון שאפשר לשזור פוטונים במערכות ננומטריות שגודלן כאלפית השערה, אולם השזירה אינה מתבצעת על ידי התכונות המקובלות של הפוטון, כמו הסחרור או המסילה, אלא רק על ידי התנע הזוויתי הכולל.
חוקרי הטכניון חשפו את התהליך שעוברים פוטונים מהשלב שבו הם מוכנסים למערכת הננומטרית ועד שהם יוצאים למערכת המדידה, ומצאו שהמעבר הזה מעשיר את מרחב המצבים שהפוטונים יכולים לשהות בהם. בסדרת מדידות מיפו החוקרים את אותם מצבים, שזרו אותם באותה תכונה ייחודית למערכות הננומטריות ואיששו את ההתאמה בין זוגות פוטונים המעידה על שזירות קוונטית.
תגלית זו היא הגילוי הראשון של שזירות קוונטית חדשה מזה יותר מ-20 שנה, והיא עשויה להוביל בעתיד לפיתוח כלים חדשים לתכנון של רכיבי תקשורת ומחשוב קוונטיים מבוססי פוטונים, כמו גם למזעור משמעותי שלהם.
למאמר ב- Nature
