חוקרים מהטכניון בדרך לייצור מחשב קוונטי בשבב
17 ספטמבר, 2018
החוקרים מהמעבדות של פרופ' שגב ופרופ' חסמן השתמשו בסוג חדש של מבנים ננומטריים לצורך יצירת תופעת השזירה הקוונטית. הטכנולוגיה צפויה לאפשר את הייצור של מחשבים קוונטיים שלמים בשבב יחיד
בתמונה למעלה:הדוקטורנטים דקלה אורן (מימין) ואלחנן מגיד. צילום: ניצן זוהר, דוברות הטכניון
מחקר משותף של שתי קבוצות מחקר מהטכניון הוליד תחום מדעי חדש הנקרא "מטא-חומרים קוונטיים". במאמר שהתפרסם בעיתון המדעי Science, הם הראו שהתחום החדש מאפשר פריצת דר בתחום המיחשוב הקוונטי, ובמיוחד בתחומים כמו מערכות תקשורת והצפנה קוונטיות. המחקר המשותף בוצע על-ידי קבוצת המחקר של פרופ' מוטי שגב, ראש המכון למצב מוצק בטכניון, והקבוצה של פרופ' ארז חסמן מהפקולטה להנדסת מכונות. במחקר השתתפו הסטודנטים תומר סתיו ודקלה אורן ממעבדתו של שגב, וד"ר ולדימיר קליינר והסטודנטים ארקדי פאירמן ואלחנן מגיד ממעבדתו של חסמן.
מעבר מחקירת אור לחקירת חלקיקים קוונטים
המחקר התמקד במבנים ידועים המוכרים בשם מטא-חומרים. מדובר במבנים ננומטריים שאינם קיימים בטבע ומיוצרים במעבדה. אחת הקטגוריות הייחודיות שלהם היא קבוצת המטא-משטחים (Meta-Surfaces). אלה מבנים מתכתיים מלאכותיים דקים מאוד, דו-ממדיים לצורך העניין, המשמשים בדרך כלל לחקירת האינטראקציה בין אור לחומר. המחקר האופטי במטא-משטחים עסק עד כה רק באור "רגיל" ממנורת שולחן או ממכשיר לייזר, כלומר באור קלאסי (גלים אלקטרומגנטיים). בעבודה הנוכחית הדגימו חוקרי הטכניון לראשונה בהיסטוריה שימוש במטא-משטחים באופטיקה קוונטית, שבהם מתייחסים אל האור כזרם של פוטונים (חלקיקים קוונטיים) ובמידע הקוונטי שיש בפוטונים.
המחקר הדגים לראשונה את האפשרות להשתמש במטא-משטחים בתחום המידע הקוונטי והמיחשוב הקוונטי, ואת האפשרות לבנות יישומים רבים, ובהם הצפנה חסינה לגמרי. להערכת החוקרים, התחום החדש פותח אפשרות לפיתוח של מערכות של מידע קוונטי על שבב – שבבים קוונטיים. במהלך המחקר פיתח פרופ' חסמן טכנולוגיה חדשה לבניית מטא-משטחים מבודדים מדויקים מאוד עשויים סיליקון שקוף וללא מתכות, שאינם בולעים את האור. החוקרים הדגימו שימוש במטא-משטחים ליצירת שזירה קוואנטית (Quantum Entanglement), שהיא מרכיב חיוני ביותר בתקשורת קוונטית, במיחשוב קוונטי ובהצפנה קוונטית.
"במחקר הזה הבאנו את תחום המטא-חומרים לעולם המידע הקוונטי," אמר פרופ' שגב. "אנו רותמים כאן לראשונה את התכונות הייחודיות של מטא-חומרים ליצירה של אור קוונטי ולשליטה בו. כעת נוכל להנדס את התכונות הקוונטיות של האור באמצעות תכנון, ייצור ושליטה בחומר שדרכו הוא עובר. נולד כאן תחום מדעי חדש שיאפשר מזעור משמעותי מאוד של מערכות אינפורמציה קוונטיות. אם בעבר ייצרנו מערכות כאלה על שולחנות גדולים, כעת נוכל לבנות אותן על צ'יפים זעירים שבהם משולבים מטא-חומרים".
הניסוי הוכיח את קיומה של שזירה ננומטרית
לדברי פרופ' חסמן, "המרכיב העיקרי כאן הוא מטא-משטח מבודד היוצר את השזירה בין הפוטונים. המטא-משטח חייב להיות מיוצר מחומרים שקופים (סיליקון) שאינם מוליכים ואינם בולעים אור, ולכן אי-אפשר לייצר אותו ממתכת. למעשה לקחנו משטח ועיוותנו אותו, כלומר גרמנו לו דפורמציה מרחבית, וכך נוצר שדה מגנטי אפקטיבי שיוצר את הקורלציה הנדרשת, כלומר את השזירה. זהו הישג ענק של שתי הקבוצות".
במסגרת המחקר החוקרים הדגימו יצירת שזירה – תופעה שבה שני חלקיקים (פוטונים במקרה זה) מתנהגים כתאומים פיסיקליים המשפיעים זה על זה גם כאשר המרחק ביניהם עצום. פעולה המבוצעת על פוטון אחד משפיעה באופן מיידי (ללא הפרש זמן) על הפוטון התאום. המכניקה הקוונטית גורסת כי פוטונים מתקיימים במצבי ספין חיוביים ושליליים בעת ובעונה אחת, אבל ברגע שהם נמדדים הם מקבלים מצב אחד. החוקרים האירו בקרן לייזר על גביש הלא לינארי כדי ליצור זוגות פוטונים המאופיינים באפס תנע זוויתי וכל אחד מאופיין בקיטוב לינארי אחר. המערכת כיוונה את צמד הפוטונים למטא-משטח, והאינטראקציה בין האור לחומר יצרה שזירה של שני הפוטונים.
בניסוי הראשון פיצלו החוקרים את זוגות הפוטונים – אחד דרך המטא-משטח ואחד דרך הגלאי. לאחר מכן הם מדדו את הפוטון הבודד שעבר דרך המטא-משטח וגילו כי הוא אכן פיתח תנע זוויתי אורביטלי השזור עם הספין שלו. בניסוי השני, הועברו צמדי הפוטונים דרך המטא-משטח ונמדדו באמצעות שני גלאים. החוקרים גילו כי הספין של אחד הפוטונים בצמד נעשה שזור עם התנע הזוויתי האורביטלי של הפוטון השני, ולהיפך.
הסטודנטים שבאו עם רעיון מבריק
שגב וחסמן סיפרו שהמחקר נולד מרעיון של שני סטודנטים לתואר שני, תומר סתיו וארקדי פאירמן. "הם הגיעו אלינו עם רעיון חדשני ופורץ דרך שהוביל לכיוונים חדשים של מחקר ויישום מערכות מידע קוונטי על שבב. הצעירים האלה עשו עבודה נהדרת בלוח זמנים קצר. התחרינו מול קבוצות מחקר גדולות מאוד מכל העולם והצלחנו לנצח".
שני הסטודנטים, עדיין לא בני 30, הם חברים ותיקים שהשלימו במקביל תואר ראשון בטכניון, תומר בתוכנית המצוינים של הפקולטה לפיזיקה וארקדי במגמת האופטיקה בפקולטה להנדסת מכונות. בתום התואר הראשון הם המשיכו לתואר שני במעבדות של פרופ' שגב ופרופ' חסמן. במהלך לימודיהם לתואר השני הגו וערכו את המחקר.
למאמר המדעי: Quantum entanglement of the spin and orbital angular momentum of photons using metamaterials
פורסם בקטגוריות: אלקטרואופטיקה , חדשות , מדע
כתבות נוספות העשויות לעניין אותך
