פריצת הדרך הישראלית שמקשיבה ללחישה הקוונטית של יהלום
- גור זיו
- לפני יומיים
- זמן קריאה 5 דקות
איך מקשיבים ללחישה של אטום? חוקרים ישראלים מהאוניברסיטה העברית פיצחו את זה! הם בנו "מגפון" ננומטרי והצליחו לאסוף כמעט 100% מהאור שפולט פגם זעיר ביהלום. זוהי פריצת דרך אדירה בדרך למחשב הקוונטי ולחיישנים שישנו את עולם הרפואה. רוצים להבין איך הדיוק הבלתי אפשרי הזה עובד?
בעומק החומר, ברמה שבה חוקי הפיזיקה המוכרים לנו מתחילים להתעקם ולהתנהג באופן מוזר, שוכן עולם של אפשרויות כמעט בלתי נתפסות. זהו העולם הקוונטי, ממלכה של אטומים וחלקיקים שבה מידע יכול להתקיים במספר מצבים בו-זמנית, ולהיות שזור זה בזה באופן מסתורי על פני מרחקים.
על העקרונות האלו מושתתת ההבטחה הגדולה של המאה ה-21: המחשב הקוונטי. מכונה בעלת עוצמת חישוב אדירה, המסוגלת לפתור בעיות שהמחשבים החזקים ביותר כיום לא יצליחו לפצח גם בעוד מיליוני שנים. אך כדי לבנות מחשב כזה, אנחנו צריכים תחילה למצוא את אבני הבניין המושלמות שלו - ה"קיוביטים" (יחידות המידע הקוונטיות המקבילות לביטים במחשב רגיל) - וללמוד כיצד לדבר איתם ולהקשיב להם.
באופן מפתיע, אחת מאבני הבניין המבטיחות ביותר מסתתרת בתוך החומר היקר והנוצץ ביותר המוכר לנו: היהלום. וכעת, פריצת דרך משמעותית בהובלת צוות חוקרים ישראלי מהאוניברסיטה העברית, מצליחה סוף סוף להקשיב ללחישות העדינות הבוקעות מלב היהלום בדיוק כמעט מושלם, ופותחת דלת לעתיד טכנולוגי חדש.
בתוך המבנה המסודר והמושלם של סריג אטומי הפחמן ביהלום, מתרחש לעיתים פגם. פגם זעיר, ברמה האטומית, שבו אטום חנקן מחליף את אחד מאטומי הפחמן, ובדיוק לידו ישנו מקום ריק - "פנוי" - שבו היה אמור להיות אטום פחמן נוסף.
השילוב הזה, הנקרא "מרכז חנקן-פנוי" (NV Center), הוא סוג של נס פיזיקלי. הפגם הזה, שבעולם הגמולוגיה היה נחשב לפוסל, הוא בעולם הפיזיקה הקוונטית כמעט מושלם. הוא מתנהג כמו אטום בודד הכלוא בתוך כלוב מוצק, מבודד מהרעשים וההפרעות של העולם החיצון, ומסוגל לשמור על המצב הקוונטי העדין שלו (ה"ספין") למשך זמן רב, אפילו בטמפרטורת החדר.
יתרה מכך, ניתן לשלוט במצב הספין שלו באמצעות לייזרים וגלי מיקרו, והכי חשוב - אפשר "לקרוא" את מצבו. כאשר מאירים עליו בלייזר ירוק, הוא פולט בחזרה אור אדום, כלומר פוטונים. מספר הפוטונים שהוא פולט תלוי ישירות במצב הספין הקוונטי שלו. כך, באמצעות ספירת הפוטונים, אנחנו יכולים לדעת מהי התשובה הקוונטית של הקיוביט שלנו.
אך כאן טמונה הבעיה הגדולה, האתגר שהעסיק פיזיקאים ברחבי העולם במשך שנים. מרכז ה-NV הוא מקור אור זעיר ביותר, והוא פולט את הפוטונים היקרים שלו לכל הכיוונים באופן אקראי, בדומה לנורה חשופה. גם אם נשתמש בעדשת מיקרוסקופ משוכללת בעלת מפתח נומרי גבוה, נצליח לאסוף רק אחוז קטן מהפוטונים הנפלטים. רוב המידע פשוט הולך לאיבוד.
כדי להתגבר על כך, המדענים נאלצו למדוד את האות שוב ושוב, אלפי פעמים, כדי לצבור מספיק פוטונים ולקבל תשובה אמינה. תהליך זה איטי מדי ולא יעיל עבור מחשב קוונטי אמיתי, הדורש "קריאה במדידה יחידה" - היכולת לדעת את מצב הקיוביט באופן מיידי וודאי ממדידה בודדת. המרדף אחרי קריאה כזו בטמפרטורת החדר הוא אחד החסמים הגדולים ביותר בדרך לטכנולוגיות קוונטיות מעשיות. זה כמו לנסות לשמוע לחישה של אדם בודד בתוך אצטדיון גועש, צריך למצוא דרך להשתיק את הרעש ולהגביר את הלחישה באופן דרמטי.
אל תוך האתגר הזה נכנס צוות המחקר מהאוניברסיטה העברית, בהובלת פרופ' רונן רפפורט ובהשתתפות החוקר הראשי בועז לובוצקי. במאמרם, שפורסם בכתב העת היוקרתי APL Quantum, הם מציגים פתרון אלגנטי ופורץ דרך הניגש לבעיה משני כיוונים בו-זמנית, בשילוב של הנדסת נאנו-מבנים ודיוק מכני כמעט בלתי נתפס.
החלק הראשון בפתרון שלהם הוא בניית "מגפון" אופטי מושלם עבור מרכז ה-NV. לא מגפון רגיל, כמובן, אלא ננו-אנטנה, מבנה זעיר המתוכנן לתפוס את הפוטונים הנפלטים ולכוון אותם בקרן צרה ומדויקת ישירות אל הגלאי. המבנה שהם בחרו הוא "אנטנת בולזאיי" (bullseye antenna) - סדרה של חריצים מעגליים קונצנטריים, החרוטים על גבי שכבת כסף דקה, ובמרכזם חלל קטן.
כאשר הפוטונים הנפלטים ממרכז ה-NV פוגעים בחריצים, הם מתפזרים ויוצרים התאבכות בונה, בדומה לאדוות שנוצרות באגם. התוצאה היא שרוב אנרגיית האור, שבמקור התפזרה לכל עבר, מתועלת כעת לאלומת אור חזקה וממוקדת, הנעה בכיוון אחד בלבד. האנטנה שלהם היא "היברידית", כלומר היא משלבת שכבת מתכת (כסף) עם שכבה דיאלקטרית (פולימר שקוף בשם PMMA). השילוב הזה מאפשר לה להפעיל את "אפקט המגפון" שלה על פני טווח רחב של צבעים (אורכי גל) ולא רק על צבע ספציפי אחד, וכל זאת תוך צמצום הפסדי אנרגיה הנגרמים בדרך כלל במבנים מתכתיים.
אך גם המגפון הטוב בעולם לא יעזור אם הדובר אינו עומד בדיוק במקום הנכון. וכאן נכנס החלק השני והמבריק של המחקר: המיקום המושלם. כדי שהאנטנה תעבוד ביעילות מקסימלית, הננו-יהלום - גביש יהלום זעיר המכיל בתוכו את מרכז ה-NV הבודד - חייב להיות ממוקם בדיוק מושלם במרכז ה"בולזאיי", ברמת דיוק של ננומטרים בודדים. זוהי משימה הנדסית אדירה, שדומה לניסיון להניח גרגר חול על ראש של סיכה, ממרחק רב ובעיניים עצומות. לשם כך, השתמש הצוות בשיטה הנקראת "מיקום דטרמיניסטי אולטרה-מדויק" (ultra-precise deterministic positioning), המבוססת על שימוש במיקרוסקופ כוח אטומי (AFM).
תהליך זה, שפותח בשיתוף פעולה עם ניקו ניקולאי (Niko Nikolay) ופרופ' אוליבר בנסון (Oliver Benson) מגרמניה, פועל כמו מנוף רובוטי מיקרוסקופי. קצה חד של המיקרוסקופ, הרגיש לכוחות ברמה האטומית, "מרים" יהלום-ננו בודד, מזיז אותו מעל שבב הסיליקון שעליו בנויה האנטנה, ומניח אותו בעדינות ובדיוק של פחות מ-5 ננומטרים במרכז המטרה. לאחר ההנחה המושלמת, השבב כולו מצופה בשכבת פולימר נוספת, אשר "כולאת" את היהלום במקומו ומשלימה את המבנה ההיברידי של האנטנה.
התוצאות של השילוב המנצח הזה - אנטנה מתוחכמת ומיקום מושלם - היו לא פחות ממדהימות. הצוות מדד את יעילות איסוף הפוטונים מההתקן החדש שלהם. הם גילו כי הצליחו לאסוף כ-80% מהפוטונים הנפלטים באמצעות עדשה פשוטה יחסית (בעלת NA של 0.5). כאשר השתמשו בעדשה חזקה יותר (NA 0.8), יעילות האיסוף התקרבה ל-100%. במילים אחרות, הם הצליחו לתפוס כמעט כל פוטון ופוטון שמרכז ה-NV פלט לכיוון הגלאי. הלחישה החלושה מהאצטדיון הגועש הפכה לקריאה ברורה וצלולה. התוצאה הזו מהווה שיפור דרמטי לעומת כל שיטה קודמת שהשתמשה בננו-יהלומים, והיא מושגת בתצורת שבב פשוטה יחסית, ובטמפרטורת החדר - תנאים הכרחיים ליישומים עתידיים.
פריצת הדרך הזו אינה רק הישג אקדמי מרשים. יש לה השלכות מעשיות מרחיקות לכת. היכולת לקרוא ביעילות ובמהירות את מצבו של קיוביט בודד היא אבן יסוד בדרך למחשב קוונטי פונקציונלי. היא מאפשרת זיהוי שגיאות ותיקונן בזמן אמת, ומאיצה את כל תהליך החישוב.
מעבר למחשוב, טכנולוגיה זו יכולה לחולל מהפכה בתחום החיישנים הקוונטיים. מרכזי NV רגישים ביותר לשדות מגנטיים, חשמליים ושינויי טמפרטורה בסביבתם הקרובה. חיישן המבוסס על מרכז NV בודד, עם יכולת קריאה משופרת כפי שהודגמה במחקר, יוכל למדוד שדות מגנטיים ברזולוציה של תא חי בודד, לפתוח אפשרויות חדשות בדימות רפואי, או לזהות שינויים כימיים מזעריים. יתרה מכך, היכולת לאסוף פוטונים ביעילות כה גבוהה חיונית גם לתקשורת קוונטית, שבה כל פוטון נושא מידע יקר ערך ואין מקום לאבד אותו בדרך.
המחקר של לובוצקי, רפפורט ועמיתיהם מדגים בצורה מופתית כיצד שילוב של הבנה פיזיקלית עמוקה, יצירתיות הנדסית ודיוק טכני בלתי מתפשר יכול לפרוץ חסמים שנראו עד לא מזמן בלתי עבירים. הסיפור הזה, שהתחיל בפגם זעיר בתוך יהלום, ממשיך במעבדות בירושלים ובברלין, ומסתיים בקרן אור ממוקדת המבשרת על עתיד טכנולוגי חדש. זוהי תזכורת לכך שהמהפכות הגדולות ביותר מתחילות לעיתים קרובות מהדברים הקטנים ביותר - במקרה הזה, מהיכולת להקשיב, סוף סוף, ללחישה של אטום בודד.
המחקר:
תגובות