חוקרים מהטכניון ומאוניברסיטאות בסין פיתחו התקן זעיר שמאפשר לא רק לייצר פוטון בודד – חלקיק אור יחיד – אלא גם לשלוט בדרך שבה הוא נע ובתכונות שהוא נושא. הפיתוח עשוי לקדם בעתיד מחשבים קוונטיים, תקשורת מאובטחת וחיישנים רגישים במיוחד.
מחשוב קוונטי נשמע לעיתים כמו תחום רחוק ומופשט, אבל מאחורי חלק מהטכנולוגיות הקוונטיות העתידיות עומד רכיב בסיסי מאוד: פוטון בודד.
פוטון הוא למעשה החלקיק הבסיסי של האור. כאשר מצליחים לייצר ולשלוט בפוטונים אחד-אחד, ניתן להשתמש בהם כנושאי מידע במערכות קוונטיות.
מחקר משותף של חוקרים מהטכניון וממספר מוסדות מחקר בסין מציג כעת שיטה חדשה לשליטה בפוטונים בודדים. המחקר פורסם בכתב העת המדעי Physical Review Letters.
לא רק לייצר אור – אלא לשלוט בו
אחד האתגרים הגדולים בתחום הוא שלא מספיק לייצר פוטון בודד. כדי להשתמש בו במערכת קוונטית צריך גם להיות מסוגלים לשלוט בתכונות שלו: לאיזה כיוון הוא ינוע, כיצד יתפשט ואיזה מידע ניתן יהיה לקודד באמצעותו.
החוקרים פיתחו לשם כך מבנה זעיר המכונה מטא-מהוד קוונטי.
מדובר בהתקן שעוביו כ־200 ננומטר בלבד. במרכזו נמצאת נקודה קוונטית – מבנה זעיר מחומר מוליך למחצה המסוגל לשמש כמקור לפוטונים בודדים.
אפשר לחשוב על המערכת כעל שילוב בין "מפעל" שמייצר חלקיקי אור בודדים לבין מערכת ניווט זעירה שקובעת כיצד אותם פוטונים יתנהגו לאחר שנוצרו.
אז מה בדיוק הצליחו החוקרים לעשות?
באמצעות המבנה החדש הצליחו החוקרים לשלוט בתכונות הקשורות לכיוון ולצורת התנועה של הפוטון.
בין היתר הם הדגימו יצירת קרני אור בצורת מערבולת ואף יצירת דפוסים הולוגרפיים באמצעות פוטונים בודדים. המערכת מאפשרת למעשה לעצב מראש את חזית הגל של האור ולחבר בין יצירת הפוטון לבין השליטה בדרך שבה הוא נפלט מההתקן.
בשפה פשוטה יותר: במקום לייצר חלקיק אור ואז לנסות לשלוט בו באמצעות מערכת גדולה של רכיבים אופטיים, החוקרים משלבים את הייצור והשליטה בתוך התקן אחד זעיר.
ומה זה "ספין" של פוטון?
אחד המונחים המרכזיים במחקר הוא ספין.
לא מדובר בפוטון שמסתובב כמו כדור, אלא בתכונה קוונטית של החלקיק. לצד הספין קיימת תכונה נוספת המכונה תנע זוויתי מסלולי, וגם היא יכולה לשמש לנשיאת מידע.
היכולת לשלוט בתכונות האלה חשובה משום שבעתיד ניתן יהיה להשתמש בהן כדי לקודד כמויות גדולות יותר של מידע בתוך מערכות קוונטיות.
למה זה חשוב?
המחקר אינו אומר שמחשב קוונטי חדש עומד להגיע מחר לחנויות. מדובר בטכנולוגיה בסיסית שנמצאת עדיין ברמת המחקר.
אבל השליטה המדויקת בפוטונים בודדים נחשבת לאחד המרכיבים החשובים בפיתוח מערכות קוונטיות מתקדמות.
פרסום
יישומים אפשריים כוללים:
- מחשוב קוונטי – שימוש בפוטונים להעברת ולעיבוד מידע קוונטי.
- תקשורת קוונטית – רשתות להעברת מידע ברמת אבטחה גבוהה במיוחד.
- הצפנה קוונטית – מערכות שבהן ניסיון לצותת לתקשורת עשוי להיות ניתן לזיהוי.
- חיישנים קוונטיים – מדידות מדויקות ורגישות בהרבה מאלה האפשריות בחלק מהמערכות הקלאסיות.
- שבבים פוטוניים מתקדמים – שילוב של רכיבים אופטיים וקוונטיים על גבי התקנים קטנים במיוחד.
הישראלי שמאחורי המחקר
בין מחברי המחקר נמצא פרופ' ארז חסמן מהטכניון, מהמעבדה לפוטוניקה בסקאלה אטומית ומהמרכז הקוונטי ע"ש הלן דילר. במחקר השתתפו חוקרים ממספר אוניברסיטאות ומעבדות בסין.
בדרך לרכיבים קוונטיים קטנים יותר
אחד ההיבטים המעניינים במיוחד בפיתוח הוא המזעור.
בעולם הקוונטי לא מספיק שמערכת תפעל במעבדה. כדי שניתן יהיה בעתיד לבנות מחשבים, חיישנים ורשתות קוונטיות בקנה מידה גדול, יהיה צורך לשלב מספר רב של רכיבים על שבבים קטנים.
העובדה שהמערכת החדשה משלבת מקור לפוטון ושליטה בתכונותיו בתוך מבנה בעובי של מאות ננומטר מצביעה על כיוון אפשרי לפיתוח רכיבים פוטוניים וקוונטיים קומפקטיים ומשולבים יותר.
בשורה התחתונה: החוקרים לא המציאו מחשב קוונטי חדש, אבל הם פתרו חלק קטן ומשמעותי בפאזל הגדול: איך לייצר חלקיק אור יחיד ולשלוט בו בצורה מדויקת – בתוך רכיב זעיר אחד.
