מעבד “הרפאים” הקוונטי הראשון

מדענים מאוניברסיטת ייל יצרו את מחשב “הרפאים” הראשון הקוונטי

קבוצה בהנהגת חוקרים מאוניברסיטת ייל יצרו את מעבד המצב-מוצק הקוונטי היסודי הראשון אי פעם. בזאת הם התקדמו צעד אחד קדימה לעבר החלום האולטימטיבי של בנית מחשב קוונטי – או במילות החרדה של אינשטיין, מחשב “רפאים” קוונטי…

בנוסף לבניה זו הם השתמשו בצ’יפ העל מוליך דו-קיוביט שלהם כדי להצליח ולהריץ שני אלגוריתמים. הם הדגימו עיבוד מידע קוונטי בעזרת רכיב מצב המוצק וכל זאת בפעם הראשונה. הממצא של הקבוצה הופיע אתמול במכתב שפורסם בכתב העת היוקרתי נייצ’ר.

“המעבד שלנו יכול לבצע רק מספר משימות קוונטיות פשוטות, שהודגמו כבר קודם לכן בעזרת גרעינים [בתהודה מגנטית גרעינית], אטומים ופוטונים בודדים, אמר רוברט שולקופף, פרופ’ לפיזיקה יישומית ופיזיקה מאוניברסיטת ייל. אולם הוא הוסיף, ש”זוהי הפעם הראשונה, שהם התאפשרו ברכיב שהוא כולו אלקטרוני, וגם נראה ומרגיש כמו מיקרו-מעבד שהוא רגיל למדי”.  

הפרופ’ לפיזיקה יישומית ולפיזיקה, סטיבן גריבין, יחד עם קבוצה של פיזיקאים תיאורטיים, יצרו מעבד על טהרת שני אטומים מלאכותיים או קיוביטים – ביטים קוונטיים. המעבד בנוי מחומר על-מוליך שמורכב מקרום ניאוביום על שבב תחמוצת האלומיניום כאשר חרטו עליו מרווחים. זרם יכול לבצע מנהור על פני מרווחים אלה – שזוהי תכונה קוונטית אופיינית, כאשר גלים וחלקיקים חוצים מחסומים מבלי לפרוץ אותם. שני הקיוביטים מופרדים בחריר שמכיל מיקרוגלים, והמערכת כולה מחוברת לזרם חשמלי. הרכיב עובד בטמפרטורה שהיא מעט מעל לאפס המוחלט ולכן דורש טכנולוגית קירור מיוחדת.

המעבד הדו-קיוביט 

 (Photo: Blake Johnson/Yale University)

מהו עיבוד מידע קוונטי?

כיום מערכות מידע דיגיטליות מייצגות 1-ים ו0-ים באמצעות מתגים חשמליים זעירים, שהם או במצב כבוי או דלוק, או בנוכחות או בהעדר האור. המידע ברכיב או בסיגנל אור כזה קרוי ביט.

בעיבוד מידע קוונטי מספר מצבים קוונטיים של חלקיקים קוונטיים או מערכות קוונטיות משמשים כביטים קוונטיים והם קרויים “קיוביטים”. למשל, פוטונים בודדים – הכמויות הקטנות ביותר של האור – יכולות להיות מועברות בכיוונים שונים בשדה החשמלי שלהן כדי לייצג 0 או 1.

הקיוביטים יכולים להיות צירופים גם של 0 וגם של 1 בו-זמנית, כתוצאה מהסופרפוזיציה של שני מצבים אפשריים. הקיוביטים יכולים גם להיות בקורלציה זה עם זה, אפילו במרחק – וזוהי השזירה הקוונטית. תכונות בלתי רגילות אלה הן שמקנות לתחום המידע הקוונטי את העוצמה שלו.

הקיוביטים יכולים לעבד הרבה יותר מידע מאשר הביטים הדיגיטליים של היום בגלל שהם יכולים להתקיים בסופרפוזיציה של שני מצבים קוונטיים, שברגע מסוים, הוא בעל קומבינציה של 0 ו-1 בו-זמנית. קיוביט יכול להיות בכל אחד מאינסוף מספר מצבי הסופרפוזיציה בזמן נתון, כל עוד לא מודדים אותו. זאת כאשר מצבי הסופרפוזיציה תמיד קורסים ל-0 או ל-1 כאשר מודדים את הקיוביט. המדענים יכולים לכן אפקטיבית למקם קיוביטים בריבוי מצבים בו-זמנית, וכך ניתן לאחסן יותר מידע ולקבל יותר עוצמת עיבוד.

בגרסה הקוונטית של האופרציה הלוגית על שני קיוביטים, הקיוביטים הם שזורים קוונטית. אם מודדים את אחד מהקיוביטים האלה, גורלו קשור לזה של הקיוביט האחר, אפילו אם השניים מופרדים במרחק גדול. אולם יש לשלוט היטב בשזירה כדי שהיא תהייה יעילה לעיבוד מידע, למרות שהיא מתרחשת ספונטאנית, וזוהי משימה מאוד מסובכת, שכן המדענים יודעים לשלוט במספר מועט של אטומים ופוטונים. שזירה קוונטית מבוקרת יכולה להציע דרך להעברת נתונים או לביצוע אינטראקציות מבוקרות על קיוביטים מרוחקים, כל עוד ערוץ תקשורת קלאסי הוא גם זמין. ולכן חידושים בניסויי שזירה קוונטית פותחים פתח להתקדמות במחשוב קוונטי.

הניסוי של הקבוצה מאוניברסיטת ייל

בניסוי הנוכחי של הקבוצה מאוניברסיטת ייל, בעוד שכל ביט קוונטי למעשה מורכב ממיליארד אטומי אלומיניום, הוא בעצם פועל כאילו הוא היה אטום בודד שיכול לאכלס שני מצבי אנרגיה שונים. מצבי אנרגיה אלה דומים למצבי ה-“1” ול-“0″ או לחילופין ל”דלוק” ול”כבוי” של הביטים שבהם משתמשים במחשבים רגילים.

החוקרים שלטו במערכת בעזרת “טון” מיקרוגל בעל תדירות שגורמת לקיוביטים להיהפך לשזורים. פולס מתח מיושם כדי לשלוט בזמן שבו שני הקיוביטים נותרים שזורים ובמצב של סופרפוזיציה. ככל שהשזירה ארוכה יותר כך היא מאפשרת לקיוביטים לעבד בעיות מורכבות יותר. הקבוצה הצליחה להשאיר את הקיוביטים שזורים למשך מיקרו-שנייה וזה שיפור לעומת הקיוביטים מלפני עשור שיכלו להישאר שזורים רק למשך ננו-שנייה. מיקרו-שנייה זה פי אלף זמן ארוך יותר, מספיק כדי להריץ שני אלגוריתמים פשוטים.

המערכת עיבדה אם כן שני אלגוריתמים שנכתבו במיוחד למערכות קוונטיות:

1) אלגוריתם החיפוש של גרובר (אלגוריתם הסתברותי שהומצא בשנות ה-60 על ידי לב גרובר). ניקח דוגמא מוחשית. אנחנו יודעים שיש לנו מספר טלפון של חבר, אבל לא את שמו. המעבד קורא את כל מספרי הטלפון בספר בבת אחת בשל תכונת הסופרפוזיציה כדי למצוא את התשובה הבודדת הנכונה. סוף התהליך הוא שהקיוביט יהיה במצב אחד ולא במצב סופרפוזיציה וייתן את התשובה. נניח שיש לנו ארבעה מספרי טלפונים, כולל מספר טלפון של חבר ואנחנו לא יודעים איזה מספר מבין הארבעה שייך לאותו חבר. באופן נורמאלי היינו מנסים לחייג בערך שלושה מספרים בטרם היינו מגיעים למספר הנכון של החבר. לעומת זאת, מעבד קוונטי יכול למצוא את המספר הנכון בניסיון הראשון. במקום לנסות ולחייג למספר אחד, ואז לעוד מספר ואז לעוד מספר…, מכניקת הקוונטים מאיצה את התהליך. מכניקת הקוונטים ממקמת כמו מעין שיחת טלפון אחת שבו-זמנית בודקת את כל ארבעת המספרים, וחולפת הישר למספר הנכון. המעבד של ייל הצליח למצוא את המספר הנכון ב-80 אחוז מהמקרים.

2) אלגוריתם פשוט יותר ודטרמיניסטי, הוא אלגוריתם דויטש-ג’וזה (שהוצע על ידי דייויד דויטש וריצ’רד ג’וזה בשנות ה-90). במבחינה מוחשית האלגוריתם בודק האם הטלת מטבע היא הוגנת או לא. אם רוצים לבחון בצורה קלאסית האם המטבע הוא הוגן (פאלי בכיוון אחד, עץ באחר) או מזויף (פאלי או עץ בשני הצדדים), זה דורש בחינה של כל צד. אולם המהלך האנלוגי הקוונטי שקרוי אלגוריתם דויטש-ג’וזה, דורש רק צעד בדיקה אחד. הוא מומש ניסויית למשל בעזרת טכניקות תהודה מגנטית גרעינית, כאשר משתמשים בספינים גרעיניים כקיוביטים. המעבד של ייל הצליח לבדוק האם הטלת המטבע היא הוגנת ב-90 אחוז מהמקרים.  

כדי לקרוא את התשובה הנכונה הצוות השתמש בטון מיקרוגל באותה התדירות כמו החריר במערכת. תלוי המצב הקיוביט, החריר יהיה בתהודה בתדירות מסוימת. אם הטון מועבר דרך החריר, הצוות ידע שהוא במצב הנכון.

הצוות מודע לכך שהדרך עוד ארוכה עד לבניית מחשב קוונטי. אולם הרכיב שהם בנו הוא צעד קדימה בכיוון זה. המכתב לנייצ’ר שפורסם אתמול:

Letter

Nature advance online publication 28 June 2009 | doi:10.1038/nature08121; Received 11 March 2009; Accepted 5 May 2009; Published online 28 June 2009

Demonstration of two-qubit algorithms with a superconducting quantum processor

L. DiCarlo1, J. M. Chow1, J. M. Gambetta2, Lev S. Bishop1, B. R. Johnson1, D. I. Schuster1, J. Majer3, A. Blais4, L. Frunzio1, S. M. Girvin1 & R. J. Schoelkopf1

1.     Departments of Physics and Applied Physics, Yale University, New Haven, Connecticut 06511, USA

2.     Department of Physics and Astronomy and Institute for Quantum Computing, University of Waterloo, Waterloo, Ontario N2L 3G1, Canada

3.     Atominstitut der Österreichischen Universitäten, TU-Wien, A-1020 Vienna, Austria

4.     Département de Physique, Université de Sherbrooke, Sherbrooke, Québec J1K 2R1, Canada

Correspondence to: R. J. Schoelkopf1 Correspondence and requests for materials should be addressed to R.J.S. (Email: robert.schoelkopf@yale.edu).

Quantum computers, which harness the superposition and entanglement of physical states, could outperform their classical counterparts in solving problems with technological impact—such as factoring large numbers and searching databases1, 2. A quantum processor executes algorithms by applying a programmable sequence of gates to an initialized register of qubits, which coherently evolves into a final state containing the result of the computation. Building a quantum processor is challenging because of the need to meet simultaneously requirements that are in conflict: state preparation, long coherence times, universal gate operations and qubit readout. Processors based on a few qubits have been demonstrated using nuclear magnetic resonance3, 4, 5, cold ion trap6, 7 and optical8 systems, but a solid-state realization has remained an outstanding challenge. Here we demonstrate a two-qubit superconducting processor and the implementation of the Grover search and Deutsch–Jozsa quantum algorithms1, 2. We use a two-qubit interaction, tunable in strength by two orders of magnitude on nanosecond timescales, which is mediated by a cavity bus in a circuit quantum electrodynamics architecture9, 10. This interaction allows the generation of highly entangled states with concurrence up to 94 per cent. Although this processor constitutes an important step in quantum computing with integrated circuits, continuing efforts to increase qubit coherence times, gate performance and register size will be required to fulfil the promise of a scalable technology.

Advertisements

מותו של מייקל ג’קסון: ג’אקו, הדמרול (פטידין) והשמועות

מותו של מייקל ג’קסון: ג’אקו, הדמרול (פטידין) והשמועות

חרושת השמועות סביב מותו של המגה-סופר סטאר מייקל ג’קסון צוברת תאוצה ממש בשעות אלה לאחר שבוצעה בגופו נתיחה ומשטרת לוס אנג’לס הציבה צו איסור פרסום על כל פרט מהנתיחה. אנשים אפילו שואלים פרטים מעברו של מלך הפופ כמו למשל כיצד יתכן שאיש שחור יהפך כך ביום בהיר אחד ללבן?

והנה הסאן הלונדוני שידוע בהתעסקותו בסיפורים עסיסיים ניגש לעסוק בסוגיית מותו של ג’קסון ולהעלות השערות עוד בטרם יתקבלו תוצאות הנתיחה בעוד מספר שבועות. שהרי “ג’אקו”, כפי שהוא מכונה בלונדון, תכנן את סיבוב הופעותיו המחודש בלונדון. ולכן דווקא הבריטים מתעניינים בסיבת מותו של הזמר.

הסאן לכן הפליג לכתוב מאמר פסאודו-מדעי או פסאודו-רפואי ולנתח את סיבת מותו של הזמר. חרושת השמועות בעצומה מובאת כאן במלוא עוצמתה. כדאי שתיקחו זאת בעירבון מוגבל. זוהי הזדמנות ללמוד כיצד משתמשים במדע או ברפואה כדי לתת תוקף וגושפנקא לשמועות ולהופכן כך כביכול לאמיתות.

אם כן תחת הכותרת “שדוד מתרופות” הסאן פרט את הסיבות האפשריות למותו של מלך הפופ.

“מייקל ג’קסון הטראגי הושאר שדוד על ידי תרופות לאחר ששוב ושוב ניתנו לו שלושה משככי כאבים חזקים בו זמנית” קובע הסאן. מקורות הקרובים לפמליה של ג’קסון שחררו אתמול מידע כיצד הזריקו לו שלוש פעמים ביום את התרופה הנרקוטית דמרול – DEMEROL – בעברית פטידין. אולם להלן יכתב דמרול, השם בו משתמש הסאן ונהוג להשתמש בו בארה”ב.

הסאן קובע ש”ג’אקו” בן ה-50 נכנס לדום לב מלא ביום חמישי זמן קצר לאחר שנתנה לא מנה קטלנית של התרופה. התרופה דומה למורפיום ואסור לערבבה עם תרופות נוספות. אולם הסופר-סטאר, לדברי הסאן גם נטל שלוש טבליות של 3 מ”ג של משכך כאבים קטלני נוסף הקרוי הידרומורפון. (רשום כאן בשם החומרים)

מקורות אומרים שנרשם לג’קסון עדיין תרופה נוספת: הידרוקודון. תרופה מרדימה שנגזרת מקודאין.

והסאן מדווח שלקוקטייל הזה ג’קסון הוסיף תרופות נוספות שאותן הוא נהג ליטול:

קריסופרודול – מרפה שרירים שאותה נטל במנה של 2 מ”ג פעמיים ביום.

דיאזפם–אלפראזולם – תרופת הרגעה שנתנה למייקל במנות של חצי מ”ג פעמיים ביום.

סרטראלין הידרוכלוריד – תרופה אנטי דיכאונית שג’אקו נטל בכמות של 100 מ”ג.

פרוקסטין – תרופה נוספת שהיא אנטי דיכאונית שגם משמשת לטיפול בחרדה והתנהגות אובססיבית, ומייקל נטל כדורים של 20 מ”ג.

אומפרזול – גלולה למניעת צרבת.

(לשמות המסחריים הנהוגים בארה”ב נא לראות בקישור לכתבה בסאן למעלה).

לאחרונה נרשמה לזמר גם אנטיביוטיקה כדי לטפל בדלקת קלה עקב ניתוח בשל סרטן העור. וקובע הסאן שהתרופות כבר היו קטלניות מספיק. חולים לא צריכים ליטול יותר מאשר ““one pain killer בו זמנית קובע הסאן. ובאנגלית באמת זה נשמע כהורג…

(הגרדיאן)

הסאן ממשיך לתאר את מצבו הבריאותי של “ג’אקו” כאנורקטי, בתת משקל למרות גובהו. גורמים רפואיים, מספר הסאן, שאלוהו אודות סגנון חייו בשל כל התרופות האלה שנטל. ואחרי הטיפול האחרון שעבר לסרטן, נזעקו נוכח תשובתו שהוא אוכל רק ארוחה אחת ביום.

ג’אקו אמר לאחד הרופאים שהוא נוטל משככי כאבים בסדירות מאז 1985, מסר הסאן, וזאת כדי שיפעלו כנגד השפעות תריסרי הניתוחים הקוסמטיים שעבר. המינונים של התרופות עלו על פני השנים בעוד הוא נאבק בסרטן ובהאשמות שהאשימוהו בהתעללות בילדים.

ג’קסון היה תחת השגחה של שרשרת של רופאים, כולל רופא העור ד”ר ארנולד קליין  Dr Arnold Klein, שטיפל במחלה המדוברת כל כך vitilogo שהפכה אותו משחור ללבן מאז שנות ה-90 המוקדמות. כמוכן היה מטופל על ידי המנתח הקוסמטי ד”ר רלף מאסי Dr Ralph Massey.

אולם היועץ הרפואי הקרוב ביותר אליו בשנים האחרונות היה ד”ר תוהם ר. תוהם Dr Tohme R Tohme מלבנון שאותו פגש מייקל לאחר שטס לבחריין, לאחר שזיכוהו מאשמת התעללות בילדים ב-2005. תוהם עבד כרופאו האישי של ג’קסון וכדוברו. תוהם לא היה רשאי לעבוד כרופא ולרשום מרשמים בארה”ב. אבל ג’קסון החל להישען עליו בכל שנוגע לעצות רפואיות ושניהם נהפכו לשותפים קבועים.

ככל שידוע תוהם לווה את ג’קסון למרכז הרפואי של ה-UCLA שם הרופאים הודיעו על מותו. מאמינים שהוא אחד מהמסיעים הלא מזוהים שתחקרו אותם בפרטי בבית החולים במשך יותר משעה לאחר מותו של הזמר. רופא אישי נוסף, קונרד רוברט מורי Conrad Robert Murray – קרדיולוג מלאס וגאס – יחקר כנראה בזמן הקרוב.

התלות של ג’קסון בתרופות והאירועים והתזמון עד לרגע בו הוא התמוטט, כותב הסאן, הם קריטיים לחקירת המשטרה של לוס אנג’לס. המשטרה רוצה לדעת מי נתן לג’קסון את הזריקה האחרונה. היא לא יכלה להיות הזרקה עצמית, כי מייקל פחד ממחטים.

העורך דין של המשפחה בריאן אוקסמן,Brian Oxman , דיבר לראשונה אתמול על חששו שהתלות של הזמר במשככי כאבים נהפכה ל”מסכנת חיים”.

מאגר עצום של תרופות מרשם עוקל כאשר המשטרה בדקה את הטענות אודות התעללות מינית בילדים בחוותו של ג’קסון “לעולם לא” בשנת 2003. עקבות לדמרול נמצאו בתחתוניו של ג’קסון יחד עם קוקאין. ואפילו מייקל התייחס למשכך דמרול בשיר מורפיום. גרסה אומרת: “דמרול, דמרול, או אלוהים, הוא נוטל דמרול”.

הליכת ירח ב-1997 ואחד המאמרים האחרונים בחייו בבריטניה 

משחור ללבן:

מותחן

 

<a href="http://www.exego.net/admin/

גרסה חדשה ומפתיעה לפרדוקס התאומים של אינשטיין

גרסה חדשה לפרדוקס התאומים: התאום המאיץ מבוגר יותר באיחוד המחודש

לרוב טוענים שפתרון פרדוקס התאומים הקלאסי צריך להיות התאוצה של התאום הנוסע. עליו להאיץ כדי להסתובב ולפגוש את אחיו שמעולם לא האיץ ונותר על כדור הארץ. כלומר, התאום שהאיץ הוא שמזדקן לאט יותר זהו ההסבר הקלאסי לפרדוקס התאומים בתורת היחסות הפרטית.

אולם שני חוקרים, הפיזיקאים מארק אברמוביץ מאוניברסיטת גוטבורג בשוודיה והאסטרונום סטניסלב בג’טליק מהמרכז האסטרונומי על שם ניקולס קופרניקוס בורסזווה אשר בפולין, נראה שמערערים על מושג זה במאמרם ממאי 2009. הם מחשבים, בהתאם למשוואות היחסות הכללית והפרטית, שהתאום המאיץ מבוגר יותר בעת האיחוד המחודש בין התאומים.

אל דאגה… עדיין התאום הנוסע לא זקוק לגשת דחוף למספרה כדי לצבוע שיער שיבה לשחור וליישר קמטים. ונראה שדווקא התאום בבית יצטרך לקבוע תור למספרה…

 

השעון של אינשטיין והנוסע של לאנג’באן

פרדוקס התאומים החל כפרדוקס שעונים בעמודים 904-905 של מאמרו המפורסם של אינשטיין אודות תורת היחסות הפרטית, “על האלקטרודינמיקה של גופים בתנועה” מ-1905. אינשטיין קיבל “תולדה מוזרה” המנוסחת כהאטת הזמנים היחסותית.

אינשטיין הציע את ה”געדאנגען אקספערימנט” (ניסוי המחשבה) לפיו בשתי נקודות של מערכת במנוחה, ממוקמים שני שעונים במנוחה, אשר סונכרנו להראות את אותה השעה בדיוק. שעון ראשון נע במהירות אחידה לעבר השעון השני על גבי הקו המחבר בין שני השעונים. בהגיעו לשעון השני השעונים לא יהיו מסונכרנים יותר. במקום השעון הראשון יפגר אחרי השעון השני. מתוצאה זו אינשטיין ניסח את המשפט הבא: אם ישנם שני שעונים, שהם מסונכרנים זה עם זה בנקודה A, ואחד מהם נע לאורך עקומה סגורה במהירות קבועה עד אשר הוא שב ל-A, אז שעון זה בהגיעו ל-A, יפגר אחרי השעון שלא נע.

בהרצאתו מ-1911 “התפתחות החלל והזמן”, לאנג’באן הרחיב תוצאה זאת לצופים אנושיים, והציע את מה שקרוי ה”נוסע של לאנג’באן”. לאנג’באן דמיין נוסע המסתגר בתוך קליע, אותו שולח כדור הארץ במהירות קרובה לזו של האור. “דבר שהוא אפשרי באופן פיזיקאלי”, אמר לאנג’באן, ותוך שנסדר לנוסע מפגש עם כוכב מסוים, ולאחר שהגיע לכוכב כאשר מסע זה לקח שנה מחייו, נשלח אותו חזרה לכדור הארץ באותה המהירות. “בחזרו לכדור הארץ, לאחר שהזדקן בשנתיים בכל המסע, הוא יצא מתקופת הזמן שלו וימצא את כדור הארץ מאתיים שנה מאוחר יותר”. לאנג’באן קבע ש”העובדות הניסוייות שבוססו באופן הבטוח ביותר בפיזיקה מאפשרות לנו לאשר שכך זה יהיה”.

ומדוע “זה יהיה כך”? נראה שלפי תורת היחסות הפרטית, האומרת שכל מערכות הייחוס הן שקולות, צריכה להיות סימטריה מוחלטת בין הנוסע לבין יושבי כדור הארץ. זאת מלבד במהלך שלושת התקופות המאוד קצרות שבהן הנוסע מפעיל את מנועי הקליע שלו. בהתעלמנו מתקופות כה קצרות אלו, בעת שובו של הנוסע עליו לגלות שהוא הזדקן בדיוק באותה המידה כמו יושבי כדור הארץ שחיכו לו מאחור. לפיכך, אמורה להיות הזדקנות סימטרית. לאנג’באן הציע שהתאוצה שהנוסע עובר כדי לשוב לכדור הארץ לא מופיעה אצל הצופה שנותר על כדור הארץ. מכיוון שמערכת הנוסע היא מואצת וזו של כדור הארץ לא מואצת, לכן לפי תורת היחסות הפרטית במערכת הייחוס המואצת חוקי הטבע לא יהיו אינברייאנטים (יוותרו ללא שינוי) כפי שזה עבור כל המערכות הנעות במהירות קבועה (לפי עקרון היחסות). האסימטריה מתבטאת בתאוצה שהנוסע עצמו עבר. באמצע מסעו, עקב התאוצה המשנה את כיוון מהירותו ומחזירה אותו לנקודת היציאה שלו בכדור הארץ בסוף מסעו (גם אם תאוצה זו נמשכת זמן קצר ביותר), הנוסע רואה את כדור הארץ מתרחק ממנו ומתקרב אליו במשך זמנים שווים: מתרחק בשנה אחת ומתקרב גם כן בשנה אחת. זאת בעוד שכדור הארץ רואה את הנוסע מתרחק ממנו במשך מאתיים שנה וחוזר במשך יומיים, במשך זמן שהוא פי ארבעים אלף קצר יותר.

פרדוקס התאומים: שני תאומי אינשטיין. אחד נחת בשנת 2005 הישר לחגיגות מאה שנה לתורת היחסות הפרטית ואחד (בשחור לבן…) נותר על כדור הארץ מאז 1905…

מי מהם יותר צעיר בעת המפגש?… J 

 

הגרסה החדשה לפרדוקס התאומים

מתחילים בתיאור מצב שבו, בדיוק כמו בגרסה הקלאסית לפרדוקס התאומים, אחד מהתאומים מאיץ ואילו האחר לא. אבל בניגוד גמור למה שמתרחש בגרסה הקלאסית, התאום המאיץ הוא מבוגר יותר באיחוד המחודש! הכיצד?

הבה נבחן מרחב-זמן סטטי בעל מטריקה (כלומר נתקדם ליחסות הכללית), ונגיד שהטנסור המטרי הוא לא תלוי בזמן ובאזימוט. נבחן את המטריקה של שוורצשילד, כאשר ישנו גוף במרכז בעל מסה מסוימת. המרחב-זמן של שוורצשילד הוא הסטנדרט המוחלט במנוחה, כאשר העקמומיות היא לא אפס. וזה אומר שאנחנו לא מדברים כאן כבר על מרחב-זמן מינקובסקי שבמסגרתו הרי פרדוקס התאומים המקורי בכלל לרוב מתואר.

נבחן מסלולים מעגליים, כאשר המהירויות המסלוליות נמדדות ביחס לסטנדרט המוחלט של המנוחה. בתנועה גיאודזית כלומר, כאשר התאוצה היא אפס נעים במהירות מסלולית “קפלריאנית”. פירושו של דבר שמקבלים בקירוב את המצב של הפיזיקה הניוטונית.

הבה נדמיין שני תאומים A ו-B שממוקמים במסלול מסוים סביב לגוף בעל המסה כלשהי והם מסתובבים כל אחד מהם במהירויות שונות זה מזה. התאומים יפגשו זה עם זה בצורה מחזורית. החוקרים חישבו את היחס שבין הזמן העצמי של שני התאומים. (המהירויות של התאומים נמדדות על ידי צופים שהם מסתובבים בתנע זוויתי שהוא אפס ביחס לשמים)

נניח שהתאום A מפסיק לנוע. או אז מהירותו היא אפס. התאום B מקיף את הגוף במהירות “קפלריאנית”. לפיכך, תאום A מואץ ואילו תאום B לא מואץ.

הזמן העצמי של תאום B שווה לזמן העצמי של תאום A כפול שורש שתלוי במהירות ה”קפלריאנית”. ולפיכך הזמן העצמי של התאום B הוא קטן מהזמן העצמי של התאום A.

לכן בעת האיחוד בין התאומים, התאום המאיץ ((A מבוגר יותר מאשר התאום אחיו (B) שלא האיץ. זה עומד בניגוד גמור להסברים שנתנו עד כה לפרדוקס התאומים, אבל לא עומד בניגוד לתוצאת פרדוקס התאומים, כי עדין התאום B צעיר יותר.

הכיצד זה יתכן? הזמנים העצמיים של התאומים תלויים רק במהירות הסיבובית של התאומים (המהירות ה”קפלריאנית”), וזאת נמדדת ביחס לסטנדרט המנוחה הגלובאלי.

הבה נבדוק שאכן אין סתירה עם פרדוקס התאומים בניסוחו הרגיל: נשנה פרמטר אחד בבעיה. נניח שרדיוס המסלול לא משתנה וכך גם מהירות המסלול של התאומים סביב הגוף המרכזי. תאום A מסתובב במהירות סיבובית שהיא אפס כמיקודם, ואילו התאום B מקיף את הגוף עדיין במהירות “קפלריאנית”.

אולם, נשנה את המסה של הגוף המרכזי. נניח שהיא תרד עד הגיעה לערך אפס. מכיוון שהמסלול של התאום B תלוי ברדיוס ובמסת הגוף המרכזי, מהירותו לא תהיה יותר “קפלריאנית”. לכן במצב זה התאום B יאיץ בדיוק כמו אחיו A.

אולם, בגלל שהיחס בין הזמנים העצמיים אינו תלוי בתאוצות כלל, אלא תלוי במהירויות בלבד, ורק אלה משתנות, היחס יישאר ללא שינוי ויוותר קבוע.

לכן התאום הנע B תמיד יישאר צעיר יותר מאחיו הלא נע A.

החוקרים מציינים שזה נכון כאשר מסת הגוף שאפה לאפס, כלומר כאשר הגענו למרחב-זמן מינקובסקי. בגבול זה אנחנו הרי מגיעים שוב לפרדוקס התאומים הקלאסי: תאום A לא מואץ ותאום B מואץ והוא הצעיר בעת האיחוד. ומדוע הוא הצעיר יותר?

כאשר המסה של הגוף המרכזי לא שווה לאפס הסיבה היא מהירותו הגבוהה יותר באופן בלתי תלוי בתאוצתו. ורק כאשר המסה שווה לאפס מרחב-זמן מינקובסקי ההסבר משתנה לתאוצה שהיא לא אפס.

מדוע זה כך? המסה גורמת לעקמומיות שהיא לא אפס של המרחב-זמן, ועקמומיות מעניקה למרחב-זמן מבנה שמגדיר את הסטנדרט המוחלט במנוחה. העניין הוא שבמרחב-זמן מינקובסקי אין מבנים כאלה ואין כל דרך להבחין מי מבין התאומים נע מהר יותר בדרך מוחלטת.

ראוי לציין שבמהלך ההיסטוריה מאז נוסח פרדוקס התאומים על ידי לאנג’באן ב-1911 נתנו גרסאות רבות לפרדוקס התאומים בדרכים שונות ומשונות. גרסה אחרונה זו מהחודש שעבר היא אינה הראשונה שמסבירה את ההפרש במהירות בין התאומים. השורה התחתונה היא הבאה: התוצאה המסורתית של פרדוקס התאומים בתורת היחסות הפרטית, לפיה בעת האיחוד מחדש בין התאומים, מתגלה שהתאום שביצע את המסע שב צעיר יותר מאחיו שנותר על כדור הארץ לא הופרכה. תוצאה זו קבלה חיזוק כאן מגרסה נוספת ומעניינת לפרדוקס התאומים.

 קראו הסבר כאן

ננושד של מקסוול

ננושד של מקסוול

 

האם השד של מקסוול שהטריד מדענים מאז 1867 עושה “קאמבק” בעולם הננו? מחקר חדש מראה שכן.

 

השד של מקסוול, יצור דמיוני, לראשונה נוסח על ידי הפיזיקאי הסקוטי ג’יימס קלרק מקסוול בניסוי מחשבה במטרה לעורר שאלות אודות האפשרות להפרת החוק השני של התרמודינמיקה.

 

לפי החוק השני של התרמודינמיקה, שני גופים בעלי טמפרטורה שונה, בהיותם במגע זה עם זה ובבידוד משאר היקום, יתפתחו למה שקרוי שיווי משקל תרמודינמי שבו לשני הגופים תהיה טמפרטורה זהה פחות או יותר. כלומר, בהינתן מערכת מבודדת האנטרופיה שלה עולה ואף פעם לא יורדת.

ואולם מקסוול דמיין שד משחת שמסוגל לעקוב אחר מסלולה של כל מולקולה ומולקולה כך שהאנטרופיה כן תוכל לרדת בסיכומו של דבר.

 

 

נגיד שישנן המוני מולקולות שנעות בתוך מיכל מלא בגז, שאותו נחצה לשניים. שני חלקי המיכל מלאים באותו גז מולקולות בעל אותה הטמפרטורה. המיכל חצוי במחיצה לתא מספר 1 ולתא מספר 2. בתוך המחיצה ישנו חריר קטנטן. השד יכול לראות כל מולקולה ומולקולה בעוברה ממש כמו סלקטור במועדון, והוא פותח וסוגר את החריר. השד עושה סלקציה: כאשר פוגעות בחריר מולקולות מתא 1 שהן מהירות יותר (כלומר חמות יותר) מהממוצע, הוא פותח את החריר ונותן להן לעבור מתא 1 לעבר תא 2. מה קרה בתא 1 עכשיו? המהירות הממוצעת של המולקולות (או הטמפרטורה) בתא 1 הואטה (נעשתה נמוכה יותר) בעוד שזו בתא 2 גדלה. השד עתה פותח את החריר ומאפשר למולקולות האיטיות יותר (כלומר למולקולות הקרות יותר) לעבור מתא 2 לעבר תא 1. לפיכך, השדון ללא השקעת עבודה, אומר לנו מקסוול, יעלה את הטמפרטורה של תא 2 וינמיך את הטמפרטורה של תא 1. זאת בניגוד גמור לחוק השני של התרמודינאמיקה.

   

השד שגורם כך לירידה באנטרופיה הכוללת של המערכת מאז ומעולם לא יכל להתקיים במערכות מקרוסקופיות. מדוע? עקב האנרגיה שהוא דורש כדי לבצע את פעולתו. בתיאוריה השד עומד בינות שני תאים סמוכים בעלי טמפרטורה זהה. השד פותח וסוגר את החריר בין שני התאים וכך מאפשר לחלקיקים חמים לעבור לתא אחד ולחלקיקים קרים לעבור לאחר. במעשהו זה השד נראה כמפחית את האנטרופיה של המערכת מבלי לבצע כל עבודה, ולכאורה בכך הוא מפר את החוק השני של התרמודינאמיקה.

 

במשך השנים מספר פיזיקאים הראו שלמעשה החוק השני של התרמודינמיקה לא מופר אם ניקח בחשבון את המערכת כולה שכוללת גם את השדון. הפיזיקאים הראו שלמעשה כל שדון חייב ליצור יותר אנטרופיה בהפרדת המולקולות מאשר הוא אי פעם יוכל להפחית בשיטה שתוארה על ידי מקסוול. כלומר, שייקח לשדון יותר מאמץ להפריד את מהירויות המולקולות ולאפשר להן בצורה סלקטיבית לעבור דרך החריר בין שני התאים מאשר כמות האנרגיה שחוסכים בהפרש הטמפרטורה שנגרם מהתהליך.

 

אחד מהמגיבים המפורסמים ביותר לאתגר ניסוי המחשבה של השדון של מקסוול היה ליאו זילארד, שב-1929 הוא הציע שלו השדון היה ממומש, היה עליו למדוד את מהירויות המולקולות, ואקט רכישת מידע זה באמצעות מכשיר מדידה היה דורש השקעת אנרגיה. החוק השני של התרמודינמיקה כאמור קובע שהאנטרופיה הכוללת של המערכת המבודדת צריכה לעלות. לפיכך, מכיוון שהשדון וגז המולקולות הם באינטראקציה, עלינו להחשיבם כמערכת כוללת והאנטרופיה הכוללת של הגז ושל השדון גם יחד במשולב נלקחת בחשבון. השקעת האנרגיה על ידי השדון תגרום לעליה של האנטרופיה של השדון, שתהיה גדולה יותר מהפחתת האנטרופיה של גז המולקולות.

נגיד שהשדון משתמש במכשיר מדידה כדי לבדוק את מיקומי המולקולות: בפנס. לפנס יש בטרייה, רכיב בעל אנטרופיה נמוכה, ריאקציה כימית שעומדת להתרחש. בעוד האנרגיה שלה משמשת לפליטת פוטונים – שיש כמובן לקחת בחשבון את האנרגיה שלהם גם כן שהרי מדובר באנטרופיה של כל גורמי המערכת – הריאקציה הכימית של הבטרייה תתרחש והאנטרופיה שלה תגדל, ותפצה בהחלט על הירידה באנטרופיה של הגז.

 

ב-1960 רולף לנדאוור קישר בין שני מושגים: האנטרופיה התרמודינמית והאנטרופיה האינפורמטיבית בעקרון על שמו – עקרון לנדאוור – לראשונה נוסח ב-1961 והוא קובע שכל פעולת מידע לוגית בלתי הפיכה, כמו למשל מחיקת ביט או המיזוג של שני נתיבי חישוב, צריכה להתלוות בעלית אנטרופיה מתאימה בדרגות חופש לא נושאות מידע ברכיב מעבד המידע או בסביבתו.  

לנדאוור מצא שמספר תהליכי מדידה דווקא לא מגדילים את האנטרופיה כל עוד הם הפיכים מבחינה תרמודינמית (ללא בזבוז אנרגיה, כמובן שתהליכים הפיכים אידיאלים לא קיימים במציאות). מדידות הפיכות לכן יכולות לשמש כדי לברור מולקולות וכך להפר את החוק השני של התרמודימיקה. אם נביט על האנטרופיה האינפורמטיבית, אז המדידה הנרשמת לא נמחקת. כלומר, השדון קובע באיזה צד של החריר המולקולה נמצאת ולשם כך עליו לרכוש מידע אודות מצב המולקולה, ועליו או להרוס מידע זה או לאחסנו. אם השדון הורס את המידע זה מוביל לעליה באנטרופיה ואם השדון מאחסן את המידע האנטרופיה יורדת. אולם הוא אינו יכול לאחסן את המידע לעד.

רולף לנדוואר עסק בחישוב הפיך, כלומר בתהליך חישובי שהוא בקירוב הפיך בזמן, ופירושו שגרסה הפיכה בזמן של התהליך יכולה להתקיים באותה מסגרת דינמית כמו התהליך המקורי. המוטיבציה לחקירה של טכנולוגיות חומרה ותוכנה על בסיס מחשוב הפיך היא תרמודינמית: לשפר את היעלות האנרגטית של המחשבים מעבר לגבול לנדאוור של אנרגיה שמתבזבזת לפעולת ביטים.

 

בשנת 1982 הפיזיקאי מיב”ם צ’רלס בנט הוכיח שהשד של מקסוול לא יכול להתקיים. מדוע? לשד בסוף לא יהיה מספיק מקום לאחסן כל כך הרבה מידע עצום אודות מספר כל כך רב של מולקולות. מכיוון שהשד משתמש בזיכרונו כדי לעקוב אחרי מסלולו של כל חלקיק וחלקיק – כל מולקולה ומולקולה –  נצטרך בסוף למחוק אצלו מידע שהוא קודם אסף. לכן יש לאפס את מצב זכרונו למצב ההתחלתי אחרי כל מחזור. מחיקת הזיכרון של השד היא תהליך שהוא בלתי הפיך מבחינה תרמודינמית, תהליך שדורש השקעת אנרגיה וכך גורם לעלית האנטרופיה של המערכת. בנט חישב את כמות אנרגית החום המינימאלית שדרושה כדי למחוק ביט בודד של מידע. הוא קיבל שהשד יצר יותר אנטרופיה בעודו נפטר מהמידע אודות החלקיקים מאשר הוא הוריד אנטרופיה בהנחיית החלקיקים לתאים חמים וקרים.

 

אולם בנט לא הסביר את הפלוקטואציות התרמיות שהן בדרך כלל זעירות ביותר כאשר מדובר בסקאלות גדולות ומסולקות בקלות. אולם פלוקטואציות אלה נהפכות למשמעותיות במערכות מיקרוסקופיות, ומדענים לאחרונה החלו להבחין שהחוק השני של התרמודינאמיקה זקוק לתיקון כדי להסביר פלוקטואציות אלה.

 

מחקר חדש מראה שבעולם הזעיר של הננו השד של מקסוול עשוי לבצע את העבודה עם הרבה פחות אנרגיה מאשר חשבו. הכיצד? השד יעשה זאת בעזרת הפלוקטואציות הזעירות שמתרחשות במערכות קטנות. וכך מדענים מצאו שהשד של מקסוול, או יצור שיכול לפעמים לגרום לירידה באטרופיה של מערכות מבלי לבצע עבודה, יכול להתקיים במערכות ברמת הננו. זאת כאשר הוא לא יפר כל חוק פיזיקאלי.

 

במחקרם החדש הפיזיקאים הגרמנים, ראול דילנשניידר ואריק לוץ מאוניברסיטת אוגסבורג שבגרמניה, הציעו מודל לשד של מקסוול לפיו ננו-חלקיק שיכול להתקיים באחד משני מצבי אנרגיה – כלומר בבור פוטנציאל כפול – משרת כזיכרון ביט בודד שניתן למחוק אותו. מצב הזיכרון של החלקיק הוא אפס אם הוא בבור השמאלי, והוא אחד אם הוא בבור הימני. על ידי ניקוי מצב החלקיק למצב נבחר כלשהו – או אפס או אחד (ללא תלות במצב ההתחלתי שלו) – ניתן למחוק את הזיכרון של החלקיק. השאלה שהחוקרים שאלו את עצמם היא הבאה: כמה אנרגיה (בצורת חום) נרצה להשקיע כדי להשלים את תהליך המחיקה?

במחקר החדש המדענים מגרמניה הסבירו את ההשפעה של הפלוקטואציות הזעירות על מחיקת הזיכרון במערכת הזיכרון שהיא מבוססת על הננו-חלקיק שלהם.

המדענים ביצעו חישובים וסימולציות והראו את הממצא המעניין הבא: ניתן למחוק את הננו מערכת בעזרת כמות של חום שהיא קטנה יותר מאשר הכמות המינימאלית של אנרגית חום שדרושה כדי למחוק ביט אחד של מידע. כמות זו היא “גבול לנדאוור”. לפיכך התגלית של המדענים מראה שהניסוח המקרוסקופי של מה שקרוי “עקרון לנדאוור” לא תקף למערכות ברמת הננו ויש להכליל את העיקרון כך שיכלול פלוקטואציות חום בדרך דומה לחוק השני של התרמודימיקה.

 

המחקר הנדון הגרמני מטרתו לתאר את ההתנהגות התרמודינמית של עצמים ברמת הננו. מכיוון שפלוקטואציות תרמיות שולטות בטווח סקאלות גודל אלה, המחקר של הקבוצה הראה שיש להן תוצאות נצפות בננו-זיכרונות: מידע יכול להימחק על ידי פיזור פחות חום מאשר נדרש על ידי עיקרון לנדאוור.

החוקרים בנוסף הציעו ניסוי שיכול לאפשר להם לחקור את ההשפעות בעזרת מערכות של חלקיק בודד. עקרון לנדאוור הוא חשוב כחולייה מקשרת בין התרמודינמיקה לתורת האינפורמציה, אולם הוא לא נחקר מספיק וביחוד לא ברמות הננו.

 

לתוצאת המחקר ישנה חשיבות נוספת. השד של מקסוול עשוי לא ליצור מספיק אנטרופיה שתאזן את זו שהוא מוריד. למרות שההבדל המדויק עדין לא ידוע, המדענים ציינו שפלוקטואציות גדולות הן מדוכאות גם במערכות ברמות ננו כמו גם במערכות מקרוסקופיות. זאת בהסכמה עם הניסוח המקרוסקופי של עקרון לנדאוור.

 

אם אנחנו מגדירים את השד של מקסוול כיצור שמסוגל לפעמים לגרום להפחתת אנטרופיה של המערכת מבלי לבצע עבודה, אז ניתן להסיק שהשד של מקסוול עשוי להתקיים במערכות ברמת הננו. ראוי להדגיש שפלוקטואציות באנטרופיה שלילית כאלה הן לגיטימיות בסקאלת הננו, והן באופן כללי קטנות אקספונציאלית כפי שמתואר במשפט פלוקטואציה-דיסיפציה (מהמכניקה הסטטיסטית) שעוסק בהסתברות היחסית שהאנטרופיה של המערכת המצויה רחוק משיווי משקל תרמודינמי (רחוק מאנטרופיה מקסימאלית) תעלה או תרד על פני משך זמן נתון. החוק השני של התרמודינמיקה מנבא שהאנטרופיה של מערכת מבודדת נוטה לעלות עד שהיא מגיעה לשווי משקל, אבל עם גילוי המכניקה הסטטיסטית, הובן שהחוק השני של התרמודינמיקה הוא רק סטטיסטי ולכן צריכה להיות תמיד הסתברות כלשהי לא בגודל אפס שהאנטרופיה של מערכת מבודדת תרד בצורה ספונטאנית. משפט פלוקטואציה-דיסיפציה מכמת בצורה מדויקת את ההסתברות הזו. הוא יכול להיחשב כהכללה של החוק השני של התרמודימיקה למערכות קטנות.

לכן הקיום של שד מקסוול בסקאלת ננו לא יפר כל חוק פיזיקאלי טוענים החוקרים הגרמנים.

 

עקב הקושי לעקוב אחרי חלקיקים בודדים, עקרון לנדאוור אף פעם לא אומת. מה גם שיש ויכוחים בין הפיזיקאים ובייחוד בין הפילוסופים של המדע על עצם העיקרון. אבל המדענים מקווים שהתקדמות אחרונה בניסויים במולקולות בודדות יכולות להביא לבדיקות אפשריות.

 

ראו הסבר כאן.

 

המאמר: 

APS » Phys. Rev. Lett. » Volume 102 » Issue 21

Phys. Rev. Lett. 102, 210601 (2009) [4 pages]

Memory Erasure in Small Systems

Raoul Dillenschneider and Eric Lutz

Department of Physics, University of Augsburg, D-86135 Augsburg, Germany

Received 2 December 2008; published 29 May 2009

We consider an overdamped nanoparticle in a driven double-well potential as a generic model of an erasable 1-bit memory. We study in detail the statistics of the heat dissipated during an erasure process and show that full erasure may be achieved by dissipating less heat than the Landauer bound. We quantify the occurrence of such events and propose a single-particle experiment to verify our predictions. Our results show that Landauer’s principle has to be generalized at the nanoscale to accommodate heat fluctuations.

©2009 The American Physical Society

 

 

 

האם בעולם הקוונטי החלקיקים מתקשרים בצורה על טבעית?

האם בעולם הקוונטי החלקיקים מתקשרים בצורה על טבעית?

שרי אריסון הוציאה מהארון את נושא המתקשרים והטלפתיה. אולם בעולם הקוונטי הנושא הוא כבר מזמן שיחת היום והוא נקרא בין השאר, “שזירה קוונטית” ו”סופרפוזיציה”, קפיצה קוונטית, בעיית המדידה וכולי. האם אפשר לדון בנושאים אלה גם מחוץ לעולם הקוונטי? האם למיסטיות יש מקום בעולם הקוונטי ומחוצה לו? הבה נדון בהם בתחילה בתחום העולם הקוונטי. במאמר קודם עסקתי בשזירה הקוונטית (ראו כאן לפני כמה ימים). עתה, נעסוק בסופרפוזיציה.

סופרפוזיציה, שזירה קוונטית ובעיית המדידה

מכניקת הקוונטים עוסקת בהתנהגות של אטומים וחלקיקים תת-אטומיים. בעולם הקוונטי חוקי הפיזיקה הקלאסית לא תקיפים יותר. הדבר המוזר ביותר הוא שחלקיקים יכולים להיות בשני מקומות בו-זמנית, מצב זה קרוי סופרפוזיציה. באופן כללי החלקיקים הקוונטים מתנהגים בצורה מוזרה ביותר בניגוד גמור למה שמצפים בעולמנו אנו. תופעה מוזרה נוספת במכניקת הקוונטים קרויה שזירה קוונטית, לפיה, שנים ויותר חלקיקים הם שזורים יחד ופעולה שמבוצעת על אחד מהם משפיעה על החלקיקים האחרים. ניתן לחשוב במונחים של גופים יומיומיים: נגיד שיש לנו גוף אחד על כדור הארץ וגוף שני על הירח. נניח שבצענו פעולה בגוף שעל כדור הארץ. מיידית נקבל השפעה על הגוף בירח. ברגע ששני החלקיקים הם שזורים, הם נותרים קשורים באופן שלא ניתן לנתקם זה מזה. השזירה הקוונטית היא למעשה כה מוזרה, עד כי אינשטיין כתב לחברו מקס בורן ב-1947 שמצב זה הוא “פעולת רפאים למרחק”.

בפיזיקת הקוונטים ישנה משמעות למדידה. אם נתון לנו חלקיק קוונטי במצב כלשהו. לפני ביצוע המדידה המצב הקוונטי של החלקיק מתואר כסופרפוזיציה של שני מצבי מדידה אפשריים. לאחר ביצוע המדידה, מסיקים שהחלקיק הוא במצב אחד ויחיד אפשרי. היכן שהוא לאורך הדרך המצב השתנה מכזה שמורכב משתי אפשרויות מדידה לאפשרות מדידה אחת. המדידה קשורה בשני סוגי התערבות שונים מהותית זה מזה. הראשונה, היא מעין “קפיצה קוונטית”: מעבר חד ומיידי, לא רציף, לא דטרמיניסטי וסטטיסטי של מצב המערכת הקוונטית לפני המדידה למצב אחרי המדידה. תהליך זה קרוי “קריסת פונקצית הגל”. הסוג השני של ההתערבות הוא ההתפתחות הרציפה ולגמרי דטרמיניסטית וסיבתית של המערכת המודדת כתגובה לקריסה, שמתוארת על ידי משוואת הגלים של שרדינגר. שני סוגי התערבות אלה דרושים כדי לפרש את תהליך המדידה הקוונטי. קריסת פונקצית הגל מייצגת חידוד של הידע שלנו אודות מצב החלקיק הקוונטי. לפני המדידה החלקיק הוא או במצב זה או במצב אחר, והמדידה פשוט מכריעה איזה מבין המצבים נוטל החלקיק.

 

למעשה, אקט המדידה כאן לכאורה ממקם את המצב ממצב בלתי מוגדר לכמות מוגדרת. בפיזיקה הקלאסית להיות מסוגל לקבל מידע אודות כמות פיזיקאלית אין פירושו שהכמות היא בלתי מוגדרת בטרם בוצע אקט המדידה.

 

ניתן ליצור שני מצבים קוונטיים חלקיקיים באמצעות האינטראקציה ההדדית או היצירה הסימולטאנית של שני חלקיקים בתהליך קוונטי מתאים. כתוצאה מהאינטראקציה והיצירה של שני מצבי חלקיק, החלקיקים אבדו את עצמאותם. ובתנאי שהם היו באינטראקציה בדרך כלשהי בזמן כלשהו בהיסטוריה שלהם, שני החלקיקים צריכים להיות מתוארים במונחים של מצב מרוכב עד אשר הגיע הזמן שבו אחד מהם או שניהם עוברים אינטראקציה כמו פעולת מדידה.

 

נניח שנאפשר לחלקיקים לנוע ללא הפרעה לכיוונים מנוגדים, כך שהם נעשים נפרדים במרחק עצום זה מזה. בהגדרה אם לא מפריעים להם הם עדיין שזורים קוונטית –  כלומר עדיין קולקטיבית הם מתוארים על ידי מצב דו-חלקיקי A ו-B. אנחנו יודעים שאם מבצעים מדידה בחלקיק הראשון, ישנו 50:50 סיכוי שהמצב המרוכב מיד יקרוס למצב כלשהו A. פירושו של דבר שהמצב עבור החלקיק השני צריך באותו האופן להצטמצם מיד למצב השניB , ולא משנה כמה רחוק החלקיק השני מצוי מהחלקיק הראשון, וזאת באותו רגע נתון בו מבצעים את המדידה על החלקיק הראשון.

 

שרדינגר, אינשטיין והחתול של שרדינגר – 1935 

 

ביוני 1935, שרדינגר כתב לאינשטיין, אני מברך אותך על מאמר האפ”ר.

ב-1935 במאמר המפורסם של אינשטיין, בוריס פודולסקי ונתן רוזן הם הציעו את הניסוי הידוע – מה שמכונה ניסוי אפ”ר שקרוי על שם שלושתם – שנועד לשלול אחת ולתמיד את כניסת ההסתברות לתוך הפיזיקה. תורת הקוונטים זקוקה להסתברות בגלל שמשוואת שרדינגר שלה לא בדיוק מתארת דברים כמו מיקום מדויק של החלקיקים. במקום זאת, היא מתארת גלים. מה שקרוי בשם אמפליטודת הגלים האלה במיקום מסוים מתורגמים בדיוק להסתברות שהחלקיק ימצא בנקודה המסוימת הזו. והנה ניסוי אפ”ר חזה שאם שני חלקיקים – אלקטרונים, למשל – רוטטים בתחילה יחד במצב שקרוי קוהרנטיות, אזי הם יכולים להישאר בסנכרון אפילו אם הם מופרדים זה מזה במרחק עצום. אם משהו קורה לחלקיק אחד, אזי חלק ממידע זה מידית משודר לאחר, וזאת מהר יותר ממהירות האור.

 

שרדינגר כתב לאינשטיין: “שמחתי מאוד שבמאמר שזה עתה פורסם ב[פיזיקל רביו] אתה בבירור תפשת את [מכניקת הקוונטים] הדוגמטית בזנבה… הפירוש שלי הוא שאין לנו [מכניקת קוונטים] שהיא קונסיסטנטית עם תורת היחסות, דהיינו עם מהירות תשדורת סופית של כל ההשפעות. ברשותנו רק אנלוגיה למכניקה המוחלטת הישנה… תהליך ההפרדה הוא בכלל לא נכלל במהלך האורתודוכסי”.

שרדינגר במאמר באותה שנה כתב ששני החלקיקים נשזרו כתוצאה מהאינטראקציה ביניהם:

 

“אם שני גופים נפרדים, כל אחד כשלעצמו ידוע מקסימאלית, והם נכנסים למצב שבו הם משפיעים זה על זה, ואז הם נפרדים שוב, מופיעה באופן סדיר מה שכיניתי שזירה קוונטית של ידיעתנו לגבי הגופים”.

 

אינשטיין ענה מיד לשרדינגר במכתב מה-7 ליוני 1935 בו הוא טען שכל הפיזיקה היא תיאור של המציאות, אך תיאור זה יכול להיות שלם או לא שלם, והוסיף גם ניסוי מחשבה נוסף. בקיצור, אינשטיין לא היה מוכן שאלוהים ישחק בקוביות מוזרות כאלה כדוגמת השזירה הקוונטית. קודם לכן אינשטיין האשים את נילס בוהר בכך שהוא הכניס לפיזיקה מיסטיות (בצורת פשר קופנהגן) שהיא זרה לפיזיקה ובלתי תואמת עם המדע. ועכשיו השזירה?… זה כבר באמת היה יותר מידי…

אינשטיין ושרדינגר המשיכו להתכתב במהלך קיץ 1935. אינשטיין נותר בשלו והתעקש שפונקצית הגל לא יכולה להיות תיאור שלם למציאות, והוא אף פיתח ניסויי מחשבה כדי לשכנע את שרדינגר בטיעוניו. בסוף שרדינגר פיתח את אחד מניסויי המחשבה המפורסמים ביותר שפותחו אי פעם כדי לשכנע את אינשטיין שמדובר בעולם קוונטי פרדוקסאלי, מוזר וחתולי ביותר… אף כי שרדינגר בסופו של דבר אולי אהד את עמדותיו של אינשטיין, ניסוי המחשבה של שרדינגר נותר אחד מניסויי המחשבה המוזרים ביותר בתורת הקוונטים.

 

סופרפוזיציה והחתול של שרדינגר

ב-1935 ארווין שרדינגר הציע כתגובה לאינשטיין את ניסוי המחשבה הבא: “מישהו יכול אפילו לתכנן מקרים מגוחכים למדי. חתול נכלא בתוך כלוב מפלדה, יחד עם הרכיב השטני הבא (שחייבים להגן עליו מחשש להפרעה ישירה מהחתול): במונה גייגר ישנה מעט חתיכת חומר רדיואקטיבי, כה קטנה, שאולי עם חלוף שעה אחת, אחד מהאטומים דועך, אבל גם, באותה הסתברות, אולי אף אחד. אם זה קורה, שפופרת המונה מתפקרת ובאמצעות תמסורת משחררת פטיש שמנפץ בקבוקון קטן של חומצה הידרוציאנית. אם משאירים את המערכת הזו כולה לבדה למשך שעה, נוכל לומר שהחתול עדין חי אם בינתיים שום אטום לא דעך. דעיכת האטום הראשונה תרעילו. פונקצית הגל של המערכת כולה תבטא זאת על ידי זה שתכלול בתוכה את החתול החי והמת (סליחה על הביטוי) מעורבב או מרוח כולו בחלקים שווים”.

החתול של שרדינגר. מכאן

 

מאז אותו חתול, פיזיקאים ניסו לממש את ניסוי המחשבה של שרדינגר. למשל, ב-2005 קבוצה מהמכון הלאומי לסטנדרטים וטכנולוגיה בארה”ב הצליחה לשזור קוונטית 6 יוני בריליום כך שגרעיניהם הסתובבו יחד בו-זמנית נגד כיוון השעון ועם כיוון השעון. היונים היו קיימים במה שנוהגים לכנות שני מצבי חתול (שרדינגר) בו-זמנית.

צעד ראשון: יון בריליום בודד לכוד הוא בקוטר של 10 ננומטר (מיליארדי המטר). הקבוצה תכננה מכשיר אלקטרומגנטי קטן לא יותר מגדול של מטבע, שלוכד 6 יונים בשטח שהוא קטן יותר מגרגר של אורז. ישנן במכשיר אלקטרודות המשמשות להזזת היונים באזוריו, כך שניתן לתמרן אותם בעזרת לייזר אולטרא-סגול בנפרד או בקבוצות.

ליונים יש את התכונה שקרויה ספין. הספין הוא מעין סביבון מסתובב, שפונה מעלה, מטה או לכל כיוון ביניהם, וזאת כד לייצג צירוף של המצבים מעלה ומטה באותו הזמן. הספין יכול לפנות לכל כיוון ולכן ישנן אפשרויות רבות.

בהתחלה כל ששת היונים היו בעלי ספינים שפונים מטה. אחר כך פגעו בהם שני פולסים של לייזרים, שמיקמו כל יון בסופרפוזיציה שווה של ספין מעלה וספין מטה. פירושו שלכל יון היה 50 אחוז סיכוי להימדד כבעל ספין מעלה או בעל ספין מטה. מדידה תמיד גורמת לסופרפוזיציה לקרוס לכיוון אחד או לאחר. מדידה של כל ששת היונים תגרור 64 (26) תוצאות אפשריות או צירופים אפשריים של ספינים מעלה ומטה. אבל היונים לא נמדדים בשלב זה בניסוי. במקום זאת, הם נותרים בסופרפוזיציה בכל 64 האפשרויות.

צעד שני: כל ששת היונים שזורים קוונטית בעזרת הטכניקה הבאה: שתי קרני לייזר ממוקמות בזוויות ישרות ומיישמות כוח בתנודות לכל ששת היונים. מכוונים את הלייזרים בצורה הבאה: ההפרש בין התדירות של שתי קרני הלייזר הוא כמעט זהה לתדירות של אחת מתנועות הרטט הטבעיות של שרשרת ששת היונים. בהתבסס על ההפרש בן רכיבי הספין מעלה והספין מטה של 64 המצבים המתפתחים, היונים “חשים” בכוח לייזר שונה שגורם ליונים להתנודד בדרך מסוימת. לצימוד הזה של הסופרפוזיציה של מצבי הספין לתנועת שרשרת היונים יש את האפקט הכולל של שזירה קוונטית של היונים בצורה מבוקרת.

במהלך התהליך הזה היונים כולם “מדברים” זה לזה בו-זמנית, כאילו הם בשיחת ועידה, והתנועה המשותפת שלהם היא מעין קו טלפון.   

צעד שלישי: פולס לייזר סופי ממקם את כל ששת היונים השזורים קוונטית במצבי חתול (שרדינגר), בהם הם מפסיקים להתפתח ונותרים בקצרה בסופרפוזיציה של כל הספינים מעלה (מסתובבים ימינה) וגם כל הספינים מטה (מסתובבים שמאלה). דהיינו, 64 האפשרויות המקוריות הצטמצמו לשתי אפשרויות.

איך נוכיח שבאמת היונים היו במצבי חתול (שרדינגר)?

ראשית אם המדענים היו משתמשים במדידה ישירה, זה היה גורם למצבי החתול לקרוס. לכן כדי לבדוק יש להשתמש בטכניקות עקיפות, טכניקות שנשענות על העובדה, שכל גוף שהוא מסתובב, הוא מתנודד בשדה מגנטי חיצוני בקצב שהוא פרופורציוני לתכונות המגנטיות הפנימיות שלו.  

בסופרפוזיציה של כל ששת הספינים מעלה ומטה בו-זמנית – שזהו מצב חתול – רכיב ה”כולו מעלה” יתנודד פי שש מהר יותר מאשר ספין מעלה בודד. ואילו רכיב ה”כולו מטה” יתנודד פי שש מהר יותר מאשר ספין בודד כלפי מטה, אולם בדיוק בכיוון ההפוך לרכיב “הכל מעלה”. לכן, סופרפוזיציה דמוית חתול של כל ששת היונים תסתחרר לצדדים פי שש מהר יותר מאשר סופרפוזיציה של אטום בודד. המדענים יכלו להעריך עד כמה מצבי החתול מתנודדים במהירות שהיא פי שש מזו של אטום בודד, וככה לקבוע עד כמה היה טהור מצב ה”כולו למעלה וכולו למטה” בו-זמנית המקורי.

אפקטים קוונטיים בניסוי חדש בקלטק – הננו פוגש בקוונטים

 

מדענים מהמכון הטכנולוגי בקליפורניה – הקלטק – תכננו ניסוי שיכול לאבחן אפקטים קוונטים והתנהגות קוונטית בעצמים רגילים. זאת מבלי שהניסוי יפריע ויהרוס את האפקטים האלה.

בקלטק פיתחו את הניסוי הבא לחיפוש אפקטים קוונטיים בעצמים רגילים – ניסוי שתואר בכתב העת נייצ’ר של החודש. המדענים השתמשו בטכניקות של מיקרופבריקציה כדי ליצור מערכת רזונטור ננו-אלקטרו-מכנית מאוד זעירה או כפי שהיא נקראת NEMS, שכבת סיליקון ניטריד/אלומיניום באורך של שני מיקרומטרים ורוחב של 0.2 מיקרומטרים ששוקלת 40 מיליארדי המיליגרם, ויכולה לעבור תהודה או להתכופף הלוך ושוב בתדירות כאשר מיושם אליה מתח.

במרחק מאוד קטן מהרזונטור – 300 ננומטרים או 300 מיליארדי המטרים – המדענים יצרו רכיב שני ברמת סקאלת הננו, שקרוי “קופסת זוגות קופר בודדת”.

מה זה קופסת זוגות קופר בודדת single Cooper pair box (SCB)? ה-SCB מורכבת מאי מתכתי שהוא מחובר למאגר באמצעות צומת מנהור. במצב העל מוליך, זוגות הקופר הם חופשיים לבצע מנהור הלוך ושוב מהאי, כאשר ניתן לשלוט בפוטנציאל שלו על ידי שער מתח. יש מרווח שמונע מקווזי-חלקיקים מלבצע מנהור אל עבר האי. שדה מגנטי מדכא את המרווח העל מוליך ב-SCB ויוצר מחסום אנרגיה נוסף לקווזי חלקיקים שמנסים לבצע מנהור לאי. כך שער המתח בהפשטה “מעביר” זוגות קופר. ה-SCB מתנהג בטווח מתחי שער מסוימים כמודל למערכת קוונטית בעלת שתי רמות. לפיכך, ה-SCB הוא “קיוביט” על מוליכה (קיוביט היא יחידת המידע הבסיסית הקוונטית).

 Credit: Electron beam lithography was performed by Richard Muller at JPL. Nanoresonator etch was performed by Junho Suh in the Roukes Lab. Image taken by Junho Suh.]

איור: מיקרוגרף שנלקח במיקרוסקופ אלקטורני סורק של קיוביט על מוליך בסמיכות לרזונטור ננו-מכני. הננו-רזונטור הוא שכבה כפולה – סיליקון ניטריד ואלומיניום – שמתפרשת לאורך של התעלה במרכז התמונה. הקיוביט הוא האי מאלומיניום שממוקם משמאל לננו-רזונטור. אלקטרודה מאלומיניום, שממוקמת בסמיכות לננו רזונטור מימין, משמשת כדי להפעיל ולחוש בתנועת הננו-רזונטור.

בניסויי הקלטק, הקיוביט העל מוליכה היא מעין אי שנוצר בין שני מחסומים שעל פניו קבוצה של זוגות אלקטרונים יכולים לנוע. לקיוביט יש רק שני מצבי אנרגיה בקוונטיזציה: רמת הקרקע ורמה מעוררת. ניתן לשלוט ברמת אנרגיה זו על ידי ישום קרינת מיקרוגל, שיוצרת שדה חשמלי.

בגלל שרזונטור ה-NEMS והקיוביט נבנו מאוד קרוב זה לזה, התנהגותם קשורה זה לזה ויש ביניהם צימוד. לכן רזונטור ה-NEMS משמש כדי לבדוק את קוונטיזצית האנרגיה של הקיוביט. כאשר הקיוביט מעורר, גשר ה-NEMS רוטט בתדירות גבוהה יותר מאשר הוא רוטט כאשר הקיוביט הוא ברמת הקרקע.

מה שיותר מדהים הוא, שמסתבר שהצימוד בין הקיוביט לרזונטור ה-NEMS גם יכול לאפשר לקיוביט לבדוק את רזונטור ה-NEMS: את רמות האנרגיה הבדידות או הקפיצות הקוונטיות של הרזונטור הרוטט שאותן מנבאים במכניקת הקוונטים.

כאן – סבורים חוקרי הקלטק – העסק מתחיל להיות מוזר. כי אפשרות זו יכולה להוביל להדגמה של סופרפוזיציה קוונטית ננו-מכנית ולהדגמת השזירה הקוונטית.

ואולם כדי לראות זאת – אומר אחד מהחוקרים – יש להנדס אינטראקציה מיוחדת בין מכשיר המדידה והעצם הנמדד. אולם המכשיר של הקלטק באמת נותן דרך פראקטית ומאתגרת שיכולה לגרום לאופציות אלה להתרחש טוענים בקלטק.

מאמרם של החוקרים מהקלטק פורסם ב-18 ליוני 2009 בכתב העת היוקרתי נייצ’ר תחת הכותרת:  “Nanomechanical measurements of a superconducting qubit”

המאמר:

 

Letter

Nature 459, 960-964 (18 June 2009) | doi:10.1038/nature08093;

Received 24 December 2008; Accepted 23 April 2009

Nanomechanical measurements of a superconducting qubit

M. D. LaHaye1, J. Suh1, P. M. Echternach3, K. C. Schwab2 & M. L. Roukes1

1.     Kavli Nanoscience Institute, Condensed Matter Physics, MS 114-36, 2.     Applied Physics, California Institute of Technology, Pasadena, California 91125, USA 3.     Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, Pasadena, California 91109, USA

Correspondence to: M. L. Roukes1 Correspondence and requests for materials should be addressed to M.L.R. (Email: roukes@caltech.edu).

The observation of the quantum states of motion of a macroscopic mechanical structure remains an open challenge in quantum-state preparation and measurement. One approach that has received extensive theoretical attention1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 is the integration of superconducting qubits as control and detection elements in nanoelectromechanical systems (NEMS). Here we report measurements of a NEMS resonator coupled to a superconducting qubit, a Cooper-pair box. We demonstrate that the coupling results in a dispersive shift of the nanomechanical frequency that is the mechanical analogue of the ‘single-atom index effect’14 experienced by electromagnetic resonators in cavity quantum electrodynamics. The large magnitude of the dispersive interaction allows us to perform NEMS-based spectroscopy of the superconducting qubit, and enables observation of Landau–Zener interference effects—a demonstration of nanomechanical read-out of quantum interference.

e. 1.     Kavli Nanoscience Institute, Condensed Matter Physics, MS 114-36, 2.     Applied Physics, California Institute of Technology, Pasadena, California 91125, USA 3.     Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, Pasadena, California 91109, USA

Correspondence to: M. L. Roukes1 Correspondence and requests for materials should be addressed to M.L.R. (Email: roukes@caltech.edu).

 

 

 

 

חור שחור סוני מיוצר במעבדה בטכניון בישראל!

חור שחור סוני [קולי] מיוצר במעבדה בטכניון בישראל!

פיזיקאים מהטכניון יצרו אנלוגיה לחור שחור שיכול ללכוד קול באותו האופן שבו חור שחור אסטורפיזיקאלי לוכד אור. המערכת שמורכבת מ”עיבוי בוז-אינשטיין הפוכת צפיפות” יכולה להציג את אחד מהסיכויים הטובים ביותר לגלות את קרינת הוקינג. חדשה מסעירה מישראל!

עיבוי בוז-אינשטיין הוא מצב של החומר שמופיע כאשר האטומים מתנהגים בטמפרטורה מאוד קרה – בערך 100 מיליארדי מעלות מעל האפס המוחלט, עקב התופעה שידועה כהגברה או הגברת בוז כל האטומים שואפים לפעול באותה הדרך. זה גורם להם לפעול כמו גל חומרי אחד מקרוסקופי, במקום כאוסף של אטומים אינדיבידואלים. אחת מהתכונות המוזרות של עיבוי בוז אינשטיין היא שזרימת קול דרכם נשלטת על ידי אותן המשוואות שמתארות כיצד האור מתעקם על ידי השדה הכבידתי. זה פותח את הדלת לכל מיני סוגים של אפשרויות: בתיאוריה, פיזיקאים יכולים לשחזר בעזרת הקול ועיבוי בוז-אינשטיין את מה שהכבידה יכולה בעזרת האור… ואכן הפיזיקאים מהטכניון יצרו עכשיו את המקבילה הסונית לחור השחור בעיבוי בוז-אינשטיין. מסתבר שהפיזיקאים חשבו על האפשרות הזו מזה 30 שנה, ומספר קבוצות שיש להן האפשרות ליצור את עיבוי בוז-אינשטיין כבר רדפו אחר האפשרות ליצור חורים שחורים אקוסטיים… אבל כמובן שישראל שלנו הגיעה ראשונה!

 

מה הוא חור שחור אסטרופזיקאלי? חור שחור אסטרופיזיקאלי הוא אזור בחלל שהוא כל כך צפוף שהכבידה במרכזו שואפת לאינסוף. מסביב לאזור זה ישנו מה שנקרא אופק האירועים. אחרי אופק האירועים של החור השחור כלום – אפילו האור – לא יכול לברוח.

אינשטיין לא מאמין בחורים שחורים 

בחורף 1916 קרל שוורצשילד שלח לאינשטיין מאמר שאותו אינשטיין קרא בפני האקדמיה הפרוסית. את הרעיון של שוורצשילד אינשטיין מצא כבלתי יאומן, רעיון זה לבסוף הוביל לזיהוי של מה שאנו מכנים היום חורים שחורים. חור שחור הוא עצם שהשדה הכבידתי שלו הוא כה חזק שבעוד הכל יכול ליפול לחור, דבר, ואפילו לא האור, לא יכול לברוח החוצה שוב פעם. שוורצשילד עצמו חקר מה יקרה אם המסה של כדור נוזלי – כוכב אידיאלי זאת אומרת – הייתה נמחצת לכדור קטן יותר ויותר. הוא מצא שככל שכוכב המודל שלו התכווץ, היה גודל קטן מסוים שבו מסתו הגיעה למה שקרוי צפיפות קריטית. בנקודה זו, השדה הכבידתי של הכוכב היה מספיק חזק כדי לעקם את המרחב-זמן כל כך חזק עד כי הוא ייסגר על עצמו ויצור לולאה אטומה. כפי שפיזיקאים הבינו מאוחר יותר, כאשר זה מתרחש, דבר ואפילו לא האור, לא יכול לחמוק מתוך האי הבודד הזה של המרחב-זמן אשר נוצר. במקום זאת, בגלל שהאור, כמו כל השאר ביקום, צריך לנוע לאורך עקומות המרחב-זמן, כל דבר בתוך לולאה אטומה זו צריך להישאר בתוכה מנותק לנצח מהיקום שמעבר. פיזיקאים עתה משתמשים במושג “אופק אירועים” כדי לתאר את הנקודה שבה המרחב-זמן נהפך למעוות בצורה כה חזקה עד כי כל דבר שנופל לתוך אופק האירועים לא מצליח לצאת החוצה. אין כל דרך שיבה מעבר לשפות שוורצשילד שאותן שוורצשילד היה הראשון לזהות – שום דרך יציאה ושום אפשרות בריחה.     

לבסוף, הפירוש וההרחבה לעבודתו של שוורצשילד הדגימה שמשוואות היחסות הכללית יכולות להניב מקרים שבהם עקמומיות המרחב-זמן נעשית אינסופית. אינסופיות כאלה נקראות “סינגולאריות” והן מספקות את התיאור המתמטי הפורמאלי לשבירת הפיזיקה. במלים אחרות, המסגרת הקונבנציונאלית של היחסות הכללית עובדת מצוין עד לאופק האירועים של החור השחור. היא אפילו מאפשרת לפיזיקאי לתאר את התנאים שיכולים ליצור חור שחור. אבל, בדיוק למדי כמו שמשה הציץ בארץ המובטחת בעוד היה אסור לו להיכנס אליה, כך היחסות הכללית לא יכולה לחדור לגמרי אל החור השחור. היא נכשלת כתיאור מפורט של האירועים שמתרחשים בתוך המרחב-זמן שהוא בצורה בלתי יאומן מעוקם ואשר מונח בתוך מה שאנו מכנים סינגולאריות שוורצשילד. שוורצשילד המשיך לעבוד על היחסות הכללית, אבל ככל שנכנס לו החורף הוא התחיל להרגיש יותר ויותר גרוע. במרץ 1916 הוא פונה לברלין. הוא נשאר בבית החולים בבירה הגרמנית במשך החודשיים הבאים, כאשר אבחנו אצלו מחלת עור, פמפיגוס, שלא היה קיים לה שום טיפול והוא נפטר ב-11 למאי בגיל 42. אינשטיין הושפע מלכתו.

אינשטיין עצמו תמיד החשיב את הפתרונות של שוורצשילד ליחסות הכללית כפתולוגיות מתמטיות במקום כתיאורים של עצמים פיזיקאליים ממשיים. אינשטיין טען שהסינגולאריות של שוורצשילד היא לא הגיונית, לא פיזיקאלית, ולכן הוא דחה את הניבוי הזה שנבע מהתיאוריה של עצמו. אינשטיין ניסה להוכיח ש”הסינגולאריות של שוורצשילד לא קיימת במציאות הפיזיקאלית [בגלל] שהחומר לא יכול להיות מרוכז בצורה שרירותית”. הוא קבע ששום גוף ובטח ששום כוכב לא יכול להידחס לגודל קטן יותר מרדיוס שוורצשילד שלו. הוא סרב לבחון ב-1939 מאוחר יותר אפילו את הרעיון שכוכבים עלולים לקרוס לחלוטין. אינשטיין טעה.

בעוד שזה בלתי אפשרי לראות חור שחור כשלעצמו – ככלות הכל, כאמור שום אור לא יכול לברוח מלכידתו – חורים שחורים נתגלו באופן עקיף על ידי תצפיות של האפקט של השדות הכבידתיים על עצמים סמוכים ועל ידי זיהוי הקרינה שמשוחררת בעוד עצמים חוצים אופק אירועים. כפי שעבודתו של שוורצשילד רמזה, ורוברט אופנהיימר וג’ורג’ וולקוהף הראו ב-1938, חורים שחורים יכולים להיווצר כאשר כוכבים קורסים. תחת תנאים מסוימים סיום חייו של הכוכב, קריסה כזו, ממשיכה עד שמה שנותר מהכוכב מגיע לצפיפות גבוהה מספיק כדי ליצור אופק אירועים של חור שחור.

מתחילת שנות ה-1950 המאוחרות חקירת חורים שחורים התרחבה לנקודה בה גילו שהם מעורבים באירועים הדרמטיים ביותר ביקום. חורים שחורים יכולים להיווצר באמצעות תהליכים אחרים מאשר קריסת כוכבים בודדים. בתנאים של יצירתן של גלקסיות שלמות, חורים שחורים ענקיים יכולים להופיע כאשר הצבירים הצפופים שאוספים יחד את החומר במרכז הגלקסיות בתחילת הדרך מתחילים בנפילה פנימה למשוך על ידי הכבידה ההדדית את הכל בסביבה. חורים שחורים ענקיים כאלה מעורבים כמנועים שמניעים את האנרגיות הסוערות שמצויות בעצמים המסתוריים שקרויים קוואזרים, שקשורים בשלבים המוקדמים של האבולוציה הגלקטית. ב-1968 ג’ון ארצ’יבלד ווילר הציג את המושג “חורים שחורים”.

 

חור שחור הוא לא כל כך שחור

 

במשך זמן רב, המושג של החור השחור – כשמו כן הוא – נחשב לשחור משחור. ב-1974 סטיבן הוקינג, כאשר הוא נשען על עבודתו של יעקב בקנשטיין מהאוניברסיטה העברית בירושלים, הראה כי חורים שחורים הם לא בהכרח שחורים. החישובים של הוקינג הצביעו על כך שאם זוג של חלקיק-אנטי חלקיק נוצרו ופגעו באופק האירועים של חור שחור, החלקיק שהיה הקרוב ביותר לחור השחור ייפול פנימה בעוד שהאחר יברח לו. הסכום של החלקיקים הבורחים ירכיב את מה שקרוי קרינת הוקינג, ויכול לחשוף את נוכחות החור השחור.

הבעיה היא שהטמפרטורה של קרינת הוקינג תהיה הרבה יותר נמוכה מקרינת הרקע של היקום, ולכן יהיה מאוד קשה להבדיל ביניהן. מסיבה זו, מספר קבוצות מחקר ניסו זה מכבר ליצור חורים שחורים אנלוגיים במעבדות – כאשר במעבדה ניתן להפחית את טמפרטורת הרקע. אולם עד כה אף אחת ממערכות אלה – שכללו סיבים אופטיים ונוזלים קוונטיים – לא הניבה את גילוי קרינת הוקינג.

ב-1980 ויליאם אונרו הציע רעיון מבריק: הבה ניצור חור שחור במעבדה תוך שימוש בקול במקום באור. אונרו קרא לחורים שחורים אלה “חורים אילמים”. לקח 29 שנה ליצור חור אילם במעבדה…

והנה ג’ף סטיינהאור, אורי להב וקבוצת המחקר שלהם מהטכניון בחיפה צעדו צעד אחד קדימה לעבר מטרה זו שאותה הציע אונרו.

sonic-hole_wa

ג’ף סטיינהאור מהטכניון נראה כאן עם המכשור שבו הוא והקולגות שלו השתמשו כדי ליצור את החור השחור הסוני. כדי ליצור את החור השחור הסוני, המדענים הישראלים תחילה יצרו עיבוי בוז-אינשטיין, ענן אטומים שקורר כמעט לטמפרטורת האפס המוחלט ופועל כאילו היה גל אור. הרעיון המרכזי הוא שנוזל שזורם מהר יותר ממהירות הקול שלו באזור מסוים גלי הקול שלו לא יכולים לברוח ופועלים כמו חור שחור סוני. Sonic Master 

שלבי הניסוי בחור השחור הסוני

זרימה סופר סונית בגז סופר נוזלי: הרכיב של הקבוצה מהטכניון מורכב משני ענני אטומי רובידיום 87 שמקוררים קרוב לאפס המוחלט, בדיוק בחמישים ננו קלווין ומופרדים על ידי מרווח זעיר. המרווח בין שני ענני האטומים, קרוי “היפוך צפיפות”.  האזור הקטן הוא בעל צפיפות נמוכה ביותר, מה שמאפשר לאטומים לעבור מענן אחד לאחר כמעט ללא עיכוב. אטומי הרובידיום 87 עושים זאת במהירות מאוד גבוהה, כמעט שלושה מילימטרים לשנייה, ובסקאלה זה בערך פי ארבעה ממהירות הקול, או 343 מטרים לשנייה. הווה אומר, שגל קול שנע בין שני העננות בהדרגה יתרחק יותר ויותר מהאטומים שנעים בין שני המבנים, בגלל שהאטומים נעים פי ארבע מהר יותר מגלי הקול. לפיכך הגלים נשאבים פנימה למרווח ולא יכולים לברוח, אולם במקרה זה מדובר בגלי קול ולא באור. בעקרון לגלים שמנסים לברוח אף פעם לא תהיה מספיק מהירות לברוח ממעגל קסמים זה והם יגררו אחרי האטומים במעגל אינסופי, ויישארו לכודים בתוך החור השחור הסוני. “זה בדיוק כמו לנסות לשחות לאט כנגד זרם מהיר”, אומר סטיינהאור. גלי הקול פוגעים מאחור בגלל שהזרם נע מהר יותר מהגלים.

חור שחור סוני במעבדה בטכניון

אל דאגה החור השחור במעבדה בטכניון לא יבלע אותכם כאן בתל אביב, או בירושלים או בחיפה. וגם לא יבלע את ארה”ב או את כדור הארץ כולו (הגברת הילארי והנשיא אובמה יכולים להרגע). זה לא החור השחור שחשבו שפתאום יצמח במאיץ ההדרונים בג’נבה… מדובר באנלוגיה לחור שחור.  

המדענים קודם יצרו עיבוי בוז-אינשטיין – אוסף של אטומים שמקורר כמעט לטמפרטורת האפס המוחלט, ונע בצורה קוהרנטית באותו מצב קוונטי ולפיכך לצורך התיאור כאן הוא מתנהג כמו גל אור. עיבוי האינשטיין-בוז מטופל בעזרת שדות מגנטיים ובעזרת קרן לייזר. החוקרים יצרו עיבוי בוז-אינשטיין ראשוני בצורת סיגר שמורכב מ-1×105 אטומי רובידיום שמוכלים בתוך מלכודת מגנטית בעלת שני תאים. ראו כאן.

 הרעיון הכללי הוא לגרום לזרימה סופרסונית של האטומים בתוך עיבוי בוז-אינשטיין. כלומר, אם גלי קול מתקרבים לאטומים בכיוון הנגדי לתנועתם, הם יגיעו לאטומים אבל אף פעם הם לא יהיו מסוגלים לעזוב. ברגע זה, האטומים הנעים פועלים כמו “חור שחור סוני”, שממנו שום קול לא יכול לעזוב. האזור שבו הזרימה משתנה מתת-סונית לסופר סונית היא אופק האירועים. כל גל קול (או מה שקרוי פונונים) שנוצר בתוך אופק האירועים אף פעם לא יכול לברוח בגלל שהזרימה שם היא סופרסונית. זהו החור השחור.

החוקרים מהטכניון גרמו לזרימה סופר סונית על ידי יצירת בור פוטנציאל עמוק במרכז עיבוי בוז-אינשטיין שמושך אטומים. האטומים זורמים אל תוכו, אבל לא יכולים לוותר על האנרגיה שלהם כאשר הם מגיעים כי הם כבר במצב האנרגיה הנמוך ביותר. כך הם זורמים על פני הבור במהירות סופר סונית. התוצאה היא אזור בתוך עיבוי בוז-אינשטיין שבו האטומים נעים במהירות סופר סונית. זהו החור השחור: כל פונון שהוא לכוד בתוך אזור זה לא יכול לברוח משם.

ולהפך, אם זרימת האטומים משתנה – כלומר אם גרדיאנט המהירות של זרימת האטומים משתנה, או אז גל הקול אף פעם לא יוכל להגיע לאטומים, ובמקרה זה הם יפעלו כעצם ההפוך לחור השחור: כלומר כ”חור לבן”.

וכאן באה תמיהה מדע בדיונית… ומה עם חור תולעת סוני שיקשר ביניהם?…

לחור השחור הסוני צריכה להיות קרינת הוקינג, אבל במקום חלקיקים הוא צריך לפלוט גלי קול קוונטיים, כלומר פונונים. לכן, מכניקת הקוונטים מנבאת שזוגות של פונונים “וירטואלים” בעלי תנע שווה ומנוגד צריכים כל הזמן להווצר ולההרס בעיבוי בוז-אינשטיין. אם אחד מזוגות אלה יחצה את אופק האירועים, הוא ישאב לתוך החור השחור ואף פעם לא יברח. האחר יהיה חופשי לנוע לדרכו. מי שיהיה חופשי לדרכו יהיה קרינת הוקינג המפורסמת.

קראו כאן

המאמר: ראו כאן המאמר.

A sonic black hole in a density-inverted Bose-Einstein condensate

Authors: O. Lahav, A. Itah, A. Blumkin, C. Gordon, J. Steinhauer

(Submitted on 7 Jun 2009)

Abstract: We have created the analogue of a black hole in a Bose-Einstein condensate. In this sonic black hole, sound waves, rather than light waves, cannot escape the event horizon. The black hole is realized via a counterintuitive density inversion, in which an attractive potential repels the atoms. This allows for measured flow speeds which cross and exceed the speed of sound by an order of magnitude. The Landau critical velocity is therefore surpassed. The point where the flow speed equals the speed of sound is the event horizon. The effective gravity is determined from the profiles of the velocity and speed of sound.

 

Quantum Gases (cond-mat.quant-gas); General Relativity and Quantum Cosmology (gr-qc)

 

arXiv:0906.1337v1 [cond-mat.quant-gas]

פיזיקת הרפאים של אינשטיין מקבלת חיזוק במתנדים מכניים

פיזיקת הרפאים של אינשטיין מקבלת חיזוק במתנדים מכניים

קבוצה של מדענים מהמכון הלאומי לסטנדרטים וטכנולוגיה לאחרונה בצעה ניסוי חדש בשזירה קוונטית.

הקבוצה שזרה את התנועה הרוטטת של שני מתנדים מכניים קוונטיים מופרדים זה מזה, כל אחד מורכב מיון בריליום ויום מגנזיום. כל זוג התנהג כמו שני גופים שמחוברים על ידי קפיץ באורך של ארבעה מיקרומטרים (מיליונית המטר), כאשר הבריליום והמגנזיום נעים הלוך ושוב לכיוונים מנוגדים, בתחילה זה לעבר זה, אחר כך הרחק זה מזה, ואז חזרה זה לעבר זה. שני הזוגות ביצעו תנועה זו באחידות, למרות שהם היו מופרדים במרחק של 240 מיקרומטרים זה מזה וממוקמים באזורים שונים של מלכודת היונים. במונחים של העולם האטומי, יונים המופרדים במרחק של 240 מיקרומטר זה כמו שני כדורים הממוקמים בשני קצוות של מגרש כדורגל ענקי. המדענים הצליחו ליצור את המצב השזור ב-57 אחוז מהפעמים בהם ניסו לבצע את הניסוי והם זיהו דרכים בהן ניתן לשפר את דרגת הדיוק של הניסוי.

 

 

יצוג אילוסטרציה של שני מתנדים מכניים שמורכבים משני זוגות של יונים לכודים. החיצים מציינים את המצבים הפנימיים של שניים מהיונים. הערפול בין שני המתנדים המכנים משמש ליצוג השזירה.  Credit: John Jost and Jason Amini

אנימציה והסבר לאנימציה בסרט על הניסוי

מכניקת הקוונטים עוסקת בהתנהגות של אטומים וחלקיקים תת-אטומיים. בעולם הקוונטי חוקי הפיזיקה הקלאסית לא תקיפים יותר. הדבר המוזר יותר הוא שחלקיקים יכולים להיות בשני מקומות בו-זמנית (מצב זה קרוי סופרפוזיציה). באופן כללי החלקיקים מתנהגים בצורה מוזרה ביותר בניגוד גמור למה שמצפים בעולמנו אנו. אחת מהתופעות המוזרות ביותר במכניקת הקוונטים קרויה שזירה קוונטית, לפיה, שנים ויותר חלקיקים הם שזורים יחד ופעולה שמבוצעת על אחד מהם משפיעה על החלקיקים האחרים. ניתן לחשוב במונחים של גופים יומיומיים: נגיד שיש לנו גוף אחד על כדור הארץ וגוף שני בקצה האחר של היקום. נניח שבצענו פעולה בגוף שעל כדור הארץ. מיידית נקבל השפעה על הגוף שבקצה האחר של היקום. ברגע ששני החלקיקים הם שזורים, הם נותרים קשורים באופן שלא ניתן לנתקם זה מזה. השזירה הקוונטית היא למעשה כה מוזרה, ולכן אינשטיין כתב לחברו מקס בורן ב-1947 שמצב זה הוא “פעולת רפאים למרחק”.

עד לאחרונה, הפיזיקאים רק היו מסוגלים להדגים שזירה קוונטית באמצעות דוגמאות שהן היו מוגבלות מבחינה ניסויית. כמו למשל, השזירה של ספינים של אלקטרונים באטומים. אולם עתה דווח בכתב העת נייצ’ר בארבעה ביוני שהקבוצה מהמכון הלאומי לסטנדרטים וטכנולוגיה הצליחה לשזור את התנועה המכנית של שתי קבוצות של יונים רוטטים. ניסוי זה מדגים שזירה במערכת של מתנדים (“אוסילאטורים”) מכניים. המתנד המכני מהווה מודל פיזיקאלי למערכות רבות בחיינו. למשל, המטוטלת, שעון הסבא, כלי נגינה מסוימים שונים ומערכות שונות שמדגימות פעולה מחזורית.

החתול של שרדינגר. ב-1935 ארווין שרדינגר כתב את הדבר המדהים הבא: “מישהו יכול אפילו לתכנן מקרים מגוחכים למדי. חתול נכלא בתוך כלוב מפלדה, יחד עם הרכיב השטני הבא (שחייבים להגן עליו מחשש להפרעה ישירה מהחתול): במונה גייגר ישנה מעט חתיכת חומר רדיואקטיבי, כה קטנה, שאולי עם חלוף שעה אחת, אחד מהאטומים דועך, אבל גם, באותה הסתברות, אולי אף אחד. אם זה קורה, שפופרת המונה מתפקרת ובאמצעות תמסורת משחררת פטיש שמנפץ בקבוקון קטן של חומצה הידרוציאנית. אם משאירים את המערכת הזו כולה לבדה למשך שעה, נוכל לומר שהחתול עדין חי אם בינתיים שום אטום לא דעך. דעיכת האטום הראשונה תרעילו. פונקצית הגל של המערכת כולה תבטא זאת על ידי זה שתכלול בתוכה את החתול החי והמת (סליחה על הביטוי) מעורבב או מרוח כולו בחלקים שווים”.

מצבים כאלה לא נצפים בטבע, כותבים המחברים של המחקר החדש, “פשוט עקב חוסר יכולתנו לבודד מספיק את המערכת הנדונה מהסביבה הסובבת – הגבלה טכנית. אפשרות אחרת היא מכניזם שעדיין לא נתגלה ומונע מהיצירה של מצבים מקרוסקופיים שזורים קוונטית. הגבלה כזו יכולה להיות תלויה במספר הרכיבים האלמנטאריים של המערכת, או במספר דרגות החופש שעוברות שזירה. בדיקות של האפשרות האחרונה הזו בוצעו בפוטונים, אטומים ורכיבים בחומר מעובה”.

לגבי מצב החתול שרדינגר, היכולת להתקיים בשני מצבים בו-זמנית: ב-2005 הקבוצה מהמכון הלאומי לסטנדרטים וטכנולוגיה הצליחה לשזור 6 יוני בריליום כך שגרעיניהם הסתובבו יחד בו-זמנית נגד כיוון השעון ועם כיוון השעון. היונים היו קיימים בשני מצבי חתול בו-זמנית. ואילו עתה המחברים מאותו מכון בודקים מערכת ייחודית בטבע שבה השזירה לא הודגמה קודם לכן והיא מורכבת ממתנדים מכניים נפרדים.

הקבוצה מהמכון הלאומי לסטנדרטים וטכנולוגיה בצעה את המהלך הבא:

1) בתחילה הקבוצה מקמה ארבעה יונים – שני יוני בריליום ושני יוני מגנזיום –  יחד באותו האזור במלכודת יונים בואקום בעלת אלקטרודות פנימיות. הקבוצה קררה את היונים באמצעות לייזרים לטמפרטורות מאוד נמוכות. על ידי כיוון המתחים של האלקטרודות שבתוך המלכודת המדענים יכלו לסדר את היונים בסדר מסוים, כאשר שני יוני המגנזיום הכבדים יותר היו מצויים בינות יוני הבריליום הקלים יותר. באמצעות טכניקה שפותחה עבור חישוביות קוונטית לפני מספר שנים, המדענים שזרו קוונטית את שני מצבי הספין הפנימיים של יוני הבריליום, שניתן לדמות אותם לשני מוטות מגנטים זעירים המכוונים כלפי מעלה או כלפי מטה. שני קרני לייזר אולטרא סגול, הממוקמות בזוויות ישרות, גורמות ליונים להתנודד. הלייזרים מכוונים בצורה כזו כך שההבדל בין התדירויות שלהם הוא קרוב מאוד לתדירות של הויברציות הטבעיות של אחד מהיונים – הקצב שבו הוא מתנודד הלוך ושוב. בהתבסס על ההבדלים בין הספינים בין היונים, הם חשים כוח לייזר שונה שגורם ליונים להתנודד בדרך מסוימת. לצימוד של מצבי הספין לכדי תנועה יש את האפקט הגלובאלי של שזירה קוונטית של הספינים של יוני הבריליום בדרך מבוקרת.

איך שוזרים יונים? (ניסויים קודמים) 

יון בריליום לכוד הוא בקוטר של 10 ננומטר (מיליארדי המטר). הקבוצה ביצעה זה מכבר ניסויים רבים בלכידת יונים. היא תכננה מכשיר אלקטרומגנטי קטן לא יותר מגדול מטבע, שלוכד מספר יונים בשטח שהוא קטן יותר מגרגר אורז. ישנן במכשיר אלקטרודות המשמשות להזזת היונים באזוריו, כך שניתן לתמרן אותם בעזרת לייזר אולטרא-סגול בנפרד או בקבוצות. שתי קרני לייזר ממוקמות בזוויות ישרות ומיישמות כוח תנודתי לזוג יונים. הלייזרים מכוונים כך שההפרש בין התדירות שלהם הוא קרוב מאוד לתדירות תנועת הויברציה הטבעית של היון. אם שני היונים הם באותו מצב ספין, ללייזרים אין כל השפעה. אם היונים הם במצבי ספין שונים, הם חשים בכוח לייזר מתנגד שגורם ליונים להימתח זה מזה. אם היונים הם בסופרפוזיציות, תנועת ההימתחות משקפת תנאי של ערור וחוסר ערור בו-זמנית. לצימוד הזה של מצבי הספין יחד עם תנועת ההימתחות יש את האפקט של שזירה קוונטית של שני יונים בצורה מבוקרת.

three beryllium ions entangled in pairsNIST  

שלושה יוני בריליום שזורים בניסויים קודמים של הקבוצה. התמונה מראה פלורסצנטיות משלושה יונים לכודים המוארים בקרני לייזר אולטרא סגול.

2) בשלב השני מיישמים מתחים לאלקטרודה X כדי להפריד בין היונים לשני זוגות. שני הזוגות מתפזרים לאזורים שונים במלכודת בסמוך לאלקטרודות A ו-B. ההפרדה והמעבר מקנים אנרגית תנועה ליונים המתנודדים (ראו האיור למטה).

3) יוני המגנזיום מקוררים באמצעות לייזרים כדי להסיר אנרגית תנועה עודפת מיוני הבריליום, תהליך שנקרא “קירור סימפאטתי”, וזאת בגלל שסוג אחד של יונים מקרר את האחר. זוהי הפעם הראשונה שבה יונים שזורים קוררו מחדש לפני שבוצעו בהם פעולות נוספות, טכניקה שמצפים שתהיה יעילה במחשוב קוונטי עתידי.

4) על ידי תמרון צבעים וכיוונים של קרן לייזר ברצף של פולסים בעוצמה ומשך מסוימים, המדענים העבירו את השזירה מהספינים של הבריליום לתנועה של זוגות היונים. שני המתנדים (האוסילטורים) המכניים היו עתה שזורים. בתנאים אידיאליים, יוני הבריליום והמגנזיום התנודדו הלוך ושוב בכיוונים מנוגדים, זה לעבר זה ואז הרחק זה מזה. שני הזוגות ביצעו תנועה זו באחידות, למרות שהם היו מופרדים במרחק של 240 מיקרו-מטרים והם היו ממוקמים באזורים שונים של המלכודת.

כלומר, עתה זוגות היונים היו מורכבים כל אחד מיון בריליום ויון מגנזיום כל אחד. כל זוג התנהג כאילו היה גוף שמורכב משני גופים שקשורים בקפיץ באורך של ארבעה מיקרומטרים, כאשר הבריליום והמגנזיום נעים הלוך ושוב לכיוונים מנוגדים, בהתחלה זה לעבר זה, ואחר כך הרחק זה מזה, ולאחר מכן, חזרה זה לעבר זה. שני הזוגות בצעו את התנועה הזו באחידות, למרות שהם היו מופרדים זה מזה במרחק של 240 מיקרומטרים והם היו ממוקמים באזורים שונים של מלכודת היונים.

 מכאן

 

מחשבים קוונטיים

 

הניסוי של הקבוצה מספק טכניקות – נוסף על אלה שכבר הוצעו קודם לכן על ידי הקבוצה בשנים קודמות – שיכולות לסייע לבנות מחשבים אולטרא-חזקים המבוססים על הכללים של פיזיקת הקוונטים. אם ניתן יהיה לבנותם, מחשבים קוונטים יוכלו לפתור בעיות מסוימות, כמו פיצוח קודים, והם יהיו מעריכית חזקים יותר מהמחשבים של היום. הניסויים הדגימו בייחוד את הסידור של יונים שונים לסדר רצוי, הפרדתם וקירורם מחדש בעוד ששומרים על השזירה הקוונטית, ואחר כך ביצוע פעולות קוונטיות נוספות על היונים. טכניקות אלה יכולות לסייע למדענים לבנות מחשבים קוונטיים בסקאלה גדולה שמשתמשים במאות יונים כדי לאחסן נתונים וכדי לבצע צעדי חישוב רבים. מהו עקרון הפעולה של מחשבים קוונטיים?

כיום מערכות מידע דיגיטליות מייצגות 1-ים ו0-ים באמצעות מתגים חשמליים זעירים, שהם או במצב כבוי או דלוק, או בכיוון המגנטי למעלה או למטה, או בנוכחות או בהעדר האור. המידע ברכיב או בסיגנל אור כזה קרוי ביט. בעיבוד מידע קוונטי מספר מצבים קוונטיים של חלקיקים קוונטיים או מערכות קוונטיות משמשים כביטים קוונטיים והם קרויים קיוביטים. למשל ליונים – אטומים טעונים – יכולים להיות מצבי ספין שונים שיכולים לייצג 0 ו-1. ניתן לחשוב על הספין כעל הכיוון של מחט מצפן זעירה בתוך היון, בעלת קטבים צפוני ודרומי. “ספין מעלה” תואם ל-0 והוא בעל אנרגיה גדולה יותר מאשר “ספין מטה” שתואם ל-1. באותו האופן פוטונים בודדים – הכמויות הקטנות ביותר של האור – יכולות להיות מועברות בכיוונים שונים בשדה החשמלי שלהן כדי לייצג 0 או 1.

הקיוביטים יכולים להיות צירופים גם של 0 וגם של 1 בו-זמנית, כתוצאה מהסופרפוזיציה. הקווביטים יכולים גם להיות בקורלציה זה עם זה, אפילו במרחק – וזוהי השזירה הקוונטית. תכונות בלתי רגילות אלה הן שמקנות לתחום המידע הקוונטי את העוצמה שלו.

הקיוביטים יכולים לעבד הרבה יותר מידע מאשר הביטים הדיגיטליים של היום בגלל שהם יכולים להתקיים בסופרפוזיציה של שני מצבים קוונטיים, שברגע מסוים, הוא בעל קומבינציה של 0 ו-1 בו-זמנית. קיוביט יכול להיות בכל אחד מאינסוף מספר מצבי הסופרפוזיציה בזמן נתון, כל עוד לא מודדים אותו. ניתן להביט על זה כעל הרבה כיווני ספינים אפשריים של יונים בין כיוון מעלה לכיוון מטה, כאשר מצבי הסופרפוזיציה תמיד קורסים ל-0 או ל-1 כאשר מודדים את הקיוביט.

הבה נשווה את יכולת העיבוד של מחשב קוונטי בעל שלושה קווביטים ומחשב קונבנציונאלי בעל שלושה ביטים. שלושה ביטים קונבנציונאליים יכולים לאחסן רק אחד מתוך שמונה מספרים 0 עד 7 בקוד בינארי. ואילו שלושה קווביטים יכולים לאחסן את כל השמונה (23) בבת-אחת בגלל הסופרפוזיציה. פירושו של דבר שגם ניתן לבצע שמונה חישובים בו-זמנית וכל זאת כאשר משתמשים רק בשלושה קיובטים. מדובר כאן בעיבוד תקבילי ותוך שימוש בפחות ביטים מאשר נזדקק להם בחישובים בו-זמניים במחשבים היום. עתה מה יקרה עם כמה מאות קיוביטים? נשיג מחשב שאפילו רשת העל-מחשבים של היום לא תוכל לעולם להגיע ליכולותיו.

בנוסף, מחשבים קונבנציונאליים משתמשים בלוגיקה מתוכנתת ומעגלים מתוכננים מראש כדי לבצע חישובים ולפתור בעיות. אלה הם התוכנה והחומרה של המחשב שפותרים בעיות באופן הבא: “אם-אז” – למשל, אם לביט מסוים יש הערך 0, אז התוצאה היא 1, אחרת התוצאה היא 0.

בגרסה הקוונטית של האופרציה הלוגית על שני קיוביטים, הקיוביטים הם שזורים קוונטית. אם מודדים את אחד מהקיוביטים האלה, גורלו קשור לזה של הקיוביט האחר, אפילו אם השניים מופרדים במרחק גדול. אולם יש לשלוט היטב בשזירה כדי שהיא תהייה יעילה לעיבוד מידע, למרות שהיא מתרחשת ספונטאנית, וזוהי משימה מאוד מסובכת, שכן המדענים יודעים לשלוט במספר מועט של אטומים ופוטונים. שזירה קוונטית מבוקרת יכולה להציע דרך להעברת נתונים או לביצוע אינטראקציות מבוקרות על קיוביטים מרוחקים, כל עוד ערוץ תקשורת קלאסי הוא גם זמין. ולכן חידושים בניסויי שזירה קוונטית פותחים פתח להתקדמות במחשוב קוונטי.

הניסוי שהוא הרכיב לחישוביות הקוונטית מורכב מכמה יונים במלכודת, שנשמרים במיתקן בגודל של 0.03 מטרים מעוקבים. מתמרנים את היונים בעזרת מערכת לייזרים שפרוסה על פני שני שולחנות אופטיים גדולים ונשלטת על ידי מתקני אלקטרוניקה ענקיים. לפיכך, כדי לבנות מחשב קוונטי יש למצוא דרך לדחוס מיליארדים של קיוביטים למעבד שהוא קטן יותר מאשר קובייה זעירה. אבל זקוקים למצוא דרכים לפקח על המצבים הקוונטיים הרגישים, כאשר מפחיתים למינימום תנאים סביבתיים כמו “רעש” אלקטרוני – כדי להמנע מתנועות אטומים לא מבוקרות – וכתוצאה את הטעויות בחישוב (ראו כאן). לפיכך האתגר הוא קשה ככל שהקיוביטים גדלים ונראה שיש עוד זמן עד אשר יבנה מחשב קוונטי.

 

 .המכתב לנייצ’ר

 

 

על הספה של הננוטכנולוג

על הספה של הננוטכנולוג. אופס, עד שדברנו, כבר הכל נהפך לישן…

סופרמן אצל הפסיכולוג. מכאן

לא ברור מתי אנשים גילו את היתרון של החומרים בגודל המזערי כל כך – הננו-חלקיקים. ידוע שבמאה הרביעית אחרי הספירה יוצרי הזכוכיות הרומאים יצרו זכוכיות שהכילו מתכות בגודל ננו. נותר שריד מתקופה זו שמצוי במוזיאון הבריטי בלונדון – כוס – שמכיל ננו חלקיקים בין השאר מזהב. הצבע של הכוס משתנה מירוק לאדום כאשר מקור אור ממוקם בתוכה. המגוון הרחב של צבעים מרהיבים בחלונות של קתדראלות מימי הביניים הוא עקב הנוכחות של ננו חלקיקים מתכתיים בזכוכית. אולם יתכן ואף השתמשו בחלקיקים כאלה מוקדם יותר…

זכוכית הרובי מימי הביניים מכילה קולואידים מזהב ברמת הננו שאינם ממירים את הזכוכית לזהב וגם לא לחומר שקוף, אלא לזכוכית אדמדמה. זאת תלוי בגודל ובריכוז של טיפות הזהב. הצבע האדמדם נגרם מהעירור של תנודה קולקטיבית של אלקטרוני ערכיות בננו-חלקיקי הזהב. תנודה זו קרויה תהודה של פלסמונים על פני השטח. אורך הגל של תהודת הפלסמונים על פני השטח תלוי בגודל, בצורה, בטופולוגיה ובסביבה הדיאלקטרית של צבירי המתכת. ולכן פוטוניקה שהיא מבוססת על פלסמונים על פני שטח, או מה שקרוי “פלסמוניקה”, נחשבת היום לטכנולוגית העתיד. זה מה שקרוי “מטא-חומרים” והם כשלעצמם לכן לא דבר חדש בכלל. הם היו קיימים בימי הביניים. מה שחדש כאן הוא דרגת השליטה במבנים בתוך החומרים, מבנים ברמת הננו שיוצרים את התכונות הרצויות במטא-חומרים. למשל, בגרסה המודרנית לזכוכית רובי בעלת מקדם שבירה שלילי, זוגות של עמודי זהב (שמיוצרים בננוטכנולוגיה על סובסטרט מסיליקון) יוצרים תהודות של פלסמונים על פני המשטח שהן מכוונות , כאשר כל זוג פועל כמו אטום בעל תכונות נשלטות היטב

אבחן כאן קומץ מאוד קטן מההתפתחויות המעניינות בננוטכנולוגיה שאותן סקרתי כבר כאן במהלך השנה. נוהגים ללכת לפסיכולוג, לשכב על הספה ולספר על הפחדים. כאן נשכב על הספה של הננוטכנולוג ונספר על הפחדים מכך שהתחום של הננוטכנולוגיה מתפתח כל כך מהר, עד כי אנחנו לא מספיקים אפילו לסקור את ההתפתחויות האחרונות. יש לי בבית ספר טכני שהכותרת שלו היא, “מבוא לננוטכנולוגיה”. אבל הספר הוא משנת 2005. הספר נחשב כבר לממש ישן. אבל בכל זאת ברצוני לבצע את הסקירה הבאה שמגרה את הדמיון. אמנם היא לא ריצת מרתון אחרי ההתפתחויות של יוני 2009 אלא כמה חודשים לפני כן…. תחשבו על העולם בו אנחנו חיים: עולם החדשות. אתמול שפעת העופות הייתה בראש החדשות, ומלאה את החדשות מהבוקר ועד לערב, והיום דודו טופז הוא שיחת היום בכל כלי התקשורת. ומה יהיה מחר? לא רק בתחום המדע והננוטכנולוגיה החדשות מתחלפות במהירות הבזק. חרף זה שההמצאות מתחלפות במהירות רבה, הרעיון הבסיסי הוא שהננוטכנולוגיה היא כנראה מדע המחר והעולם הולך לעבר התחתית מטה-מטה – כמו שריצ’רד פיינמן אמר בהרצאתו המפורסמת מ-1959 – ישנו הרבה מקום שם בתחתית העולם ורק צריך לגלותו…

 

ריצ’רד פיינמן בקלטק בעת ההרצאה המפורסמת שלו “There’s Plenty of Room at the Bottom”

מכאן

ב-1959 אחרי ארוחת ערב בפגישה של האגודה הפיזיקאלית בפסדינה, ריצ’רד פינמן נאם והציב חזון בלתי רגיל של עתיד הטכנולוגיה בהרצאתו: “ישנו הרבה מקום שם בתחתית”. ההרצאה נשאה את כותרת המשנה: “הזמנה להיכנס לתחום חדש בפיזיקה”. פיינמן בנאומו ציין את תחילתו של מה שאנחנו היום מכנים בשם “ננוטכנולוגיה. הננוטכנולוגיה עוסקת במניפולציה של החומר ברמות הגודל הננומטריות. כלומר, אלפי מיליוני המטר. אטומים הם בדרך כלל בגודל של כמה עשרות הננומטר. פיינמן הדגיש שמבצע כזה לא דורש פיזיקה חדשה: “אינני ממציא אנטי-כבידה, שתהיה אפשרית יום אחד רק אם החוקים אינם מה שאנחנו חושבים שהם. אני אומר לכם מה ניתן לעשות אם החוקים הם מה שאנחנו חושבים שהם. אנחנו לא עושים זאת רק בגלל שאנחנו עדיין לא הצלחנו להגיע לזה”.

בהרצאתו פיינמן הציע שני פרסים של אלף דולר כל אחד – אחד “לברנש הראשון שיצור מנוע חשמלי פועל שהוא בגודל 1/25 סנטימטר מעוקב”, והשני “לברנש הראשון שיכול ליטול את המידע שעל גבי דף של ספר ולשים אותו על שטח שהוא פי 1/25000 קטן יותר”.

כאשר הוא הציע את הפרסים, פיינמן כנראה לא האמין שישלם אותם. אולם הוא לבסוף נדרש לשלם את שני הפרסים. את הפרס הראשון פיינמן שילם תוך פחות משנה לביל מקלילאן Bill Mclellan בוגר הקלטק. מקלילאן הביא עמו מיקרוסקופ כדי להראות לפינמן את המנוע הזעיר שיכל ליצור מיליוני כוח סוס. למרות שפיינמן שילם את הפרס, המנוע נראה באותו הזמן כאכזבה עבורו מכיוון שהוא לא דרש כל התקדמות טכנית חדשה. בגרסה חדשה של הרצאתו, 20 שנה אחר כך, פיינמן העלה השערה שבעזרת הטכנולוגיה המודרנית ניתן יהיה ליצור מנועים שהם פי 1/40 קטנים יותר מזה המקורי של מקלילאן וביצור המוני.

לגבי הפרס השני, במשך שנים רבות איש לא הצליח לקטוף אותו. אולם, 26 שנים אחרי הרצאתו הראשונה פיינמן נאלץ לשלם את הפרס השני שלו גם כן. האתגר היה שקול לכתיבת כל 24 הכרכים של האנציקלופדיה בריטניקה על ראש סיכה זעירה. ב-1985 טום ניומן Tom Newman  היה סטודנט ללימודים מתקדמים בסטנפורד. ניומן השתמש בטכניקה שנקראת ליטוגרפיה של קרן אלקטרונים כדי לחרוט את התבניות על סיליקון במטרה ליצור מעגלים משולבים. חבר הראה לניומן העתק של ההרצאה של פיינמן משנת 1959 ואת החלקים שמציעים פרס לזה שיצליח לכתוב בקטן. ניומן חישב שהוא יוכל להקטין אותיות בודדות לסקאלת גודל של רוחב של 50 אטומים בלבד. על ידי תכנות מכונת קרן האלקטרונים שלו הוא סבר שניתן לבצע זאת. כדי לבדוק שהפרס עדיין בתוקף באותה תקופה, ניומן שלח טלגרמה לפיינמן. הוא הופתע מאוד לקבל שיחת טלפון חזרה מפיינמן למעבדתו שמאשרת שאכן הפרס עדיין בתוקף גם אחרי יותר מעשרים שנה. ניומן, שהיה ממש בשלבי סיום הדוקטור, תכנת את המכונה שלו לכתוב את העמוד הראשון של הרומן של צ’רלס דיקנס בין שתי ערים. כל אות הייתה ברוחב של 50 אטומים. התברר שהקושי העיקרי של ניומן היה למצוא את העמוד הזעיר על פני המשטח של הסיליקון אחרי שהוא כבר נכתב. ניומן קבל את הצ’ק מפיינמן בזמן בנובמבר 1985.

פיינמן העריך ש”ניתן לכתוב את כל המידע שהאדם בזהירות צבר בכל הספרים שבעולם בקובית חומר שהיא ברוחב של שתי מאיות האינץ’ – וזה בקושי חלק של אבק שהעין האנושית יכולה לייצר”. זו הסיבה מדוע פיינמן קרא להרצאתו “הרבה” מקום שם בתחתית.

והנה השנה שוב הגיעה בשורה מאוניברסיטת סטנפורד. בינואר השנה מדענים מסטנפורד יצרו אותיות שהן פי 40 קטנות יותר מאשר אלו של ניומן, וכל זאת בעזרת המיקרוסקופ המנהור הסורק.

50 שנה להרצאה המפורסמת של ריצ’רד פיינמן “ישנו הרבה מקום שם בתחתית”

היום 20 שנה אחרי שהננוטכנולוגיה נהפכה לעובדה, קל לשכוח את המושג שקרוי “ננוטכנולוגיה” שלראשונה ביצע כניסה סוחפת אל המודעות הציבורית כמעט מיידית בנובמבר 1986, כאשר כמעט מיליון קוראים פגשו במאמר המערכת המוביל לקהל הרחב במגזין בעל הגישה המדעית בשם OMNI 

המאמר ב-OMNI היה בעל הכותרת הבאה: 

Nanotechnology: Molecular Machines that Mimic Life וכריכת המגזין נראתה כך:

OMNI magazine cover, November 1986: Nanotechnology: Molecular Machines that Mimic Life.

הננוטכנולוגיה פוגשת את סופרמן וספיידרמן

בשנים האחרונות הננוטכנולוגיה נהפכה לאחד מתחומי הפיזיקה, הכימיה, ההנדסה והביולוגיה החשובים והמרתקים ביותר. היא מראה הבטחה רבה בעתיד הקרוב בכך שתביא לנו פריצות דרך רבות שתשננה את כיוון ההתקדמויות הטכנולוגיות במגוון רחב של אפליקציות.

מה זה בכלל ננוטכנולוגיה?

המילה “ננו” פירושה מיליארדית. ובמספרים: 1×10-9.

הננוטכנולוגיה עוסקת במגוון מבנים של החומר בעלי ממדים מסדר גודל של המיליארדית של המטר. כלומר, הננוטכנולוגיה מבוססת על ההכרה שחלקיקים קטנים יותר מגודל של 100 ננומטר (מיליארדית המטר) מקנים למבנים ננומטריים שבנויים מהם תכונות חדשות והתנהגות חדשה. זה מתרחש בגלל שהחלקיקים שהם קטנים יותר מהאורך האופייני שקשור לתופעות האופייניות לרוב מפגינים כימיה ופיזיקה חדשות. כימיה ופיזיקה חדשות אלה מובילות להתנהגות חדשה שהיא תלויה בגודל של המבנים הננומטריים. כך למשל המבנה האלקטרוני, המוליכות, התגובתיות, טמפרטורת ההמסה והתכונות המכניות – כולן משתנות כאשר החלקיקים נעשים קטנים יותר מאשר הגודל הקריטי. התלות בהתנהגות בגודל של החלקיק יכולה לאפשר למהנדס לתכנן את תכונותיהם וכך לבנות רכיבים חדשים. ברוכים הבאים לעולם הטכנולוגיה החדשה של הננו-רכיבים.

לננו-רכיבים יש פוטנציאל אדיר לתרום להתקדמות על פני טווח נרחב ומגוון של תחומים טכנולוגיים שמתפרשים מיצירת חומרים חזקים יותר וקלים יותר ועד קיצור זמן תמסורת העברת התרופות לתוך הגוף – באמצעות קפסולות? בתוך מערכת הדם וגם הגדלת קיבולת האחסון של המדיה המגנטית ואספקה של מתגים מהירים יותר עבור מחשבים. מידי פעם אנחנו שומעים על תחומים חדשים כמו למשל, ננומדע קוואנטי, שהוא היישום של תורת הקוונטים לתכנון של חומרים ורכיבים חדשים ברמת הננו. ננומדע קוונטי מסביר את התפקוד והמבנה במערכות טבעיות או מהונדסות ברמת הננו באמצעות מכניזמים קוונטיים כמו דיסקרטיזציה, סופרפוזיציה ושזירה קוונטית. והיד עוד נטויה בנושא הננוטכנולוגיה ומחר כבר נשמע על תחומים חדשים…

ננוצינוריות

אולי אחד מהנושאים המרתקים ביותר הוא הננוצינוריות – מבנים בגודל ננומטרי, אך חזקים ונצורים כמו פלדה. למשל, המדענים בנאסא שעובדים על פרויקט מעלית החלל, חושבים על הננוצינוריות כמועמדות בטוחות לבניית הכבל של מעלית החלל. אולם הכבל, כך הם אומרים, יצטרך להיות בערך פי ארבע חזק יותר מאשר סיב הננוצינורית הפחמני, או פי 180 חזק יותר מאשר פלדה. ואין פלא שהרעיון של מעלית החלל צמח לראשונה ממגדל אייפל שעשוי מברזל.

 

מהי אם כן ננוצינורית? ניתן לחשוב על הננו-צינורית פחמן כמעין גיליון מגרפיט שמגולגל לצינור בעל שפות בסוף הגיליון שיוצרות את הקשרים שסוגרים את הצינור. מבנה הצינור נוצר מגלגול גיליון הגרפיט סביב צירו מקביל לקשרי ה-C-C (קשרי פחמן-פחמן). ננו-צינורית בעלת דפנות יחידים יכולה שיהיו לה קוטר של שני ננומטרים ואורך של μm 100. זה מה שהופך את הננו-צינורית אפקטיבית למבנה חד ממדי שקרוי ננוחוט. 

ישנם כמה מבנים לננו-צינוריות מפחמן, ומספר מבנים אלה הם בעלי תכונות שונות. למרות שננו-צינוריות מפחמן לא מורכבים מעשית מגלגול של גיליונות גרפיט, ניתן להסביר את המבנים השונים על ידי בחינה של הדרך שבה גיליונות גרפיט עלולים להתגלגל לצינורות. באופן כללי הננו-צינוריות סגורים בשני הקצוות, מה שמכניס סידור פנטגונאלי מבחינה טופולוגית לכל קצה של הגליל.

לננו-צינוריות מפחמן יש את התכונה המעניינת מאוד שהם מתכתיים או מוליכים למחצה, תלוי בקוטר ובכירליות של הצינור. הכירליות מתייחסת לאופן שבו הצינורות מגולגלים ביחס לכיוון הציר במישור הגרפיט. בדרך כלל הצינורות הם שני שליש מוליכים למחצה ושליש מתכתיים. משתמשים במיקרוסקופ המנהור הסורק (הממ”ס) כדי לחקור את המבנה האלקטרוני של הננו-ציוריות מפחמן. המיקום של מחט הממ”ס ממוקמת מעל לננו-צינורית והמתח שבין המחט של ה-ממ”ס והדוגמית נסרקת בעוד זרם המנהור מבצע את הסריקה. בודקים את המוליכות הנמדדת. הגרפים של הממ”ס שהמוליכות חזקה לאורך ציר הצינור, מה שגורם לננו-צינוריות לתפקד כחוטים קוואנטיים חד ממדיים. באופן כללי דפקטים במערכות חד-ממדיות גורמים ללוקליזציה של אלקטרונים. אבל, דפקט בננו-צינורית לא יגרום ללוקליזציה בגלל שהאפקט ממוצע על פני כל היקף הצינור.

במצב המוליך של הננו-צינורית, המוליכות של הננו-צינוריות היא מאוד גבוהה. מעריכים שהן יכולות לשאת מיליארד אמפר לסנטימטר מרובע. לעומת זאת, חוטי נחושת לא מצליחים לשאת מיליון אמפר לסנטימטר מרובע בגלל התחממות מתנגדת שממיסה את החוט. סיבה אחת למוליכות גבוהה של הצינורות הננו מפחמן היא שיש להם מעט מאוד דפקטים מבחינת פיזור האלקטרונים, ולכן התנגדות מאוד נמוכה. זרם גבוה לא מחמם את הצינורות באותו האופן שבו הוא מחמם את חוטי הנחושת. ננו-צינוריות הם גם בעלי מוליכות תרמית מאוד גבוהה, כמעט פי 2 יותר מאשר יהלום. פירושו של דבר שהם גם מוליכים מאוד טובים של חום.

בנוסף ננו-צינוריות הם מאוד חזקים מבחינה מכנית. אם משקל מחובר לקצות חוט דק שנעוץ לגג של חדר, החוט ימתח ובסוף יקרע. כאשר ננו-ציוריות מעוקמים הם מאוד גמישים. הם מתעקמים אבל לא נשברים, וניתן לישר אותם חזרה מבלי להרסם.

מרבית החומרים נשברים כאשר מעקמים אותם בגלל הנוכחות של פגמים כמו חריגות ושיבושים או פגמים בשפות החומרים. בגלל שננו-צינוריות מפחמן הם בעלי מינימום של דפקטים במבנה הדפנות שלהם, זה לא קורה. סיבה נוספת מדוע הננו-צינוריות לא נשברים היא הבאה. כאשר הם מעוקמים מאוד, הטבעות ההקסגונאליות מפחמן בדפנות משנות את צורתן, אבל לא נשברות. זוהי תוצאה ייחודית של תכונות של קשרי פחמן-פחמן והתעקמותם.

סופרמן וספיידרמן – שרירים מלאכותיים וסיוע לנכים

האם אנחנו רחוקים מעידן סופרמן? מסתבר שכבר לא. כמעט וניתן לקחת סיבי סרטי ננו-צינוריות ולהרים את בנין האמפייר סטייט בילדינג בניו יורק…. קורי העכביש של ספיידרמן כמעט כבר ממשיים… סרטי ננו-צינוריות מפחמן שמתפקדים כשרירים מלאכותיים פותחו על ידי חוקרים מאוניברסיטת טקסס אשר בדלאס, וכיאה לננו-צינוריות, הם בעלי חוזק חומרים עצום. ניתן למתוח אותם כאילו היו גומי והם קלים יותר מהאוויר. הסרטים מורכבים מננו-צינוריות סבוכות ארוכות בעובי של 11 ננו-מטר, והם מסוגלים להימתח ליותר מפי שלושה מרוחבם הרגיל. ואולם הם קשיחים יותר וחזקים יותר מאשר פלדה נצורה. הם יכולים להימתח ולהתכווץ פי אלפי מונים ולסבול טמפרטורות בטווח של בין מינוס 190 מעלות צלסיוס ועד אפילו 1600 מעלות צליוס. ואף יותר מזה, הם בעלי מסה מינימלית ולכן כמעט קלים כמו האוויר עצמו. ואם לא די בכך, סרטי הננו-צינוריות שקופים, מוליכים וגמישים.

החומר החדש פותח על ידי ריי בוגמאן, המנהל של מכון הננוטק באוניברסיטת דאלאס, אותו מכון שמפתח סוגים שונים של ננו-צינוריות שמבוססות על מה שקרוי “שרירים מלאכותיים”, שמיועדים לאיברים תותבים ולרובוטיקה. 

 

הפנים של פס ברוחב שני מילימטרים של ננוצינורית פחמן, שמתרחבת ליותר מפי שלוש מרוחבה כאשר מתח של חמישה קילוולט מיושם אליה.  האיור מכאן.

חומרים אלה משנים את צורתם ואת גודלם כתגובה לסיגנלים חשמליים וכימיים. תגובתיות שהיא אולי דומה לחומרים “הישנים” שקרויים חומרים פיזואלקטריים, אלא שהחומרים הפיזואלקטריים הם מה שנכנה מאקרוסקופיים, ואילו כאן מדובר בננו-צינוריות.

עד 2006 המעבדה פתחה שרירים מלאכותיים מננו-צינוריות כאיברים תותבים שמתרחבים עד לאחוז אחד בלבד, ומפעילים עד לפי 100 פעם יותר כוח מאשר השריר האנושי על שטח מסוים. החוזק של הננו-צינוריות לכן לא ממוצה עד תום.

אולם עתה מסתבר שבאמתחתה של המעבדה הננוטכנולוגיה סרטי ננו-צינוריות שמתפקדים כשרירים מלאכותיים, או אקטואטורים, המתרחבים עד פי 200 אחוז ויוצרים כוחות קטנים ליחידת שטח, וכך הם מתאימים לרובוטיקה. או אולי בהחלט יכולים להתאים לאגדת סופרמן שירד מכוכב קריפטון ורוצה להרים את האמפייר סטייט בילדינג?…

שרירים מלאכותיים ויישומם לנאסא: מכיוון שסרטי הננו-צינוריות האלה הם אולטרא קלי משקל וניתן לטפל בהם בטמפרטורות קיצוניות, הם אולי יכולים להיות מאוד יעילים ליצירת חלקי רכבי חלל. כך לפחות מציע המדען הישראלי שלנו בנאסא ד”ר יוסף בר כהן, חוקר בכיר במעבדה להנאה סילונית בקליפורניה. הרי בחלל התנאים הם מאוד קיצוניים כידוע, כמו למשל בפלנטות כמו מאדים ונגה. ניתן למשל לטפל באמצעות רובוט חלל במשטח של נגה בעל הטמפרטורה הקיצונית של 460 מעלות או בזה של מינוס 200 מעלות שמצוי בירח של צדק, אירופה. המסה הנמוכה של החומר החדש היא מאוד מושכת למשימות רובוטיות כאלה, אומר בר כהן.

נוסף על שרירים מלאכותיים הננוטכנולוגיה יכולה לעורר פלאים בתחום נוסף קרוב. נשאלת השאלה האם הננו-צינורות יכולות לסייע למוח לתפעל מכונות? שליטה על איבר ישירות על ידי המוח תוך שימוש במשפט: “אני חושב משמע זה זז”. תארו לכם שאחרי קטיעת איבר, הדרך הטבעית ביותר לשלוט באיבר עם פרוטזה כאשר חושבים שרוצים להגיע לשתות נגיד כוס מים, תהיה על ידי זה שהיד המלאכותית אכן פשוט תגיע ותבצע את המשימה הנדונה. הננוטכנולוגיה יתכן ותאפשר זאת ביתר קלות מכפי שניתן לעשות זאת עתה. לאחר פציעה בחוט השדרה, היכולת לעקוף עצבים פגועים יכולה להיות עניין של חיים או מוות. למרות התקדמות ניכרת בחיבור יחידות רפואיות למערכת העצבים –  הכוונה היא לאלקטרודות – הנקודה היכן שהמכונה פוגשת את הגוף –  הרי זו נותרת הבעיה המרכזית.

אם נשווה תחת מיקרוסקופ מנהור סורק אלקטרודה שעשויה ממתכת מטונגסטן מחודדת ללא ערבוב של ננו-צינורות מפחמן (שמאל) עם אלקטרודה מננו-צינורות מפחמן מעורבבת עם פולימר מוליך (ימין). נראה שהננו-צינורות משפרים את המגע החשמלי עם תאי העצב והם עשויים לגרום לאלקטרודה לשרוד זמן רב יותר:

כאן הננוטכנולוגיה יכולה לסייע. ננו-צינורות מאטומי פחמן הם חזקים בצורה מדהימה ובעלי מוליכות חשמלית יוצאת מהכלל. שתי התכונות האלה הופכות אותם למועמדים טובים יותר כאלקטרודות.

מחקר מלפני מספר חודשים של פרופ’ אדוארד קיפר וקבוצתו מהמרכז הרפואי הדרום מערבי של אוניברסיטת טקסס שפורסם ב-ניצ’ר ננוטולוג’י מציע שננו-צינורות חזקים, קשיחים יכולים להרכיב את האלקטרודות הקשוחות והיעילות – ממשק נוירולוגי שיאפשר לחבר איבר מלאכותי לגוף וגם ישרת דבק לעצב וניתן באמצעותו לשלוט בסיגנלים כדי להניע את הזרוע. עדיין הזרוע הרובוטית שמחוברת לננו-צינורות לא נבדקה בבני אדם. המחקר נראה מבטיח בתחום מחלת הפרקינסון.
במקום, בוצעה קבוצת ניסויים ראשונה שבה בדקו עירור חשמלי של נוירונים של עכברים שגידלו אותם במעבדה. התוצאות היו שציפוי ננו-צינור אחד מסוים היה פי 1500 יותר יעיל בקבלת הסיגנלים מאשר אלקטרודה רגילה. מכאן ניתן להסיק שאלקטרודה שמצפים אותה בננו-צינור יכולה ליצור שריר שיתכווץ בעזרת סיגנל חשמלי הרבה יותר קטן. באותו האופן, אם האלקטרודה בניסוי קראה את הפעילות של תא העצב, היא הייתה הרבה יותר רגישה. לאחר קבוצת הניסויים הראשונה הזו, בוצעה קבוצת ניסויים שנייה. קיפר וקבוצתו השוו את הביצועים של האלקטרודות שמושתלות לתוך המוחות של חיות מעבדה והם מצאו יכולת הרבה יותר טוב לגילוי הדחף החשמל הרגיש מנוירון. האלקטרודות מצופות הננו-צינורות יכלו גם “לקרוא” את הפעילות של יותר נוירונים ובנוסף ולפקח על פעילות איטית (10 מחזורים לשנייה) ומהירה (1000 מחזורים לשנייה), תחום שבו אלקטרודות קונבנציונאליות הראו ביצועים מגמגמים.
וירוסים וננו-צינוריות מרכיבים סוללות באנרגיה ירוקה
האם וירוסים מהונדסים גנטית יכולים להרכיב עצמית ברמת הננו סוללות באנרגיה ירוקה? בינואר מגזין דיסקובר הפופולארי יצא בכותרת המשנה “מהנדסים הופכים את הוירוסים למהנדסים קטנים”. ולמה הכוונה? היסטורית תעשיית המוליכים למחצה זינקה ואילו תעשיית הבטריות פיגרה מאחור. והנה החל מ-2006 ארעה פריצת דרך הנדסית בתעשיית הסוללות, שדווחה באוגוסט 2008. קבוצה של מהנדסים מהמכון הטכנולוגי במסצ’וסטס רתמה וירוסים כדי ליצור רכיבים לסוג סוללות חדש, בגודל מיקרון, כלומר של מחצית התא האנושי והרבה יותר יעילות מאשר הבטריות הרגילות הביתיות. לראשונה החוקרים הראו שהם מסוגלים להנדס וירוסים כדי לבנות את הקצוות החיובי והשלילי הטעונים של סוללת הליתיום איון. הוירוסים הונדסו גנטית בצורה כזו שחומרים מוליכים חשמלית כמו קובלט חמצני יתחברו לפני משטחם. תוך תהליך הסלקציה וההנדסה הגנטיים הגענו לוירוסים רזים וארוכים, שפני משטחם גדול יחסית לנפחם. ולכן הם מסוגלים לארוז מטען רב אל תוך חלל זעיר. המיקרוב המצופה במתכת יכול כך לשמש כדי לבנות רכיבים אוגרי אנרגיה בעלי יכולת הספק הרבה יותר גבוהה מאשר הסוללות המסורתיות. ארעה פריצת דרך הנדסית וכמו שכתבו “הביו-הנדסה שברה את צוואר הבקבוק”, כאשר החוקרים הבינו את הפוטנציאל שגלום בוירוסים הלא מזיקים לבני האדם.
בתחילת 2006 חוקרים מהמכון הטכנולוגי במסצ’וסטס בראשות הפרופסורים פאולה ט. המונד, אנג’לה מ. בלשר ו-יט-מינג שיאנג היו הראשונים שהנדסו גנטית וירוסים. הם שילבו בין הננוטכנולוגיה להנדסה הגנטית בתקווה לבנות סוללות שיכולות לתפעל מכוניות היברידיות או טלפונים סלולאריים ומכשור רפואי עתידי. הם בנו את חומר האנודה. בינואר 2009 בלשר השלימה את הסוללות עם בנית חומר הקתודה יחד עם שני חוקרים נוספים בשם גרברנד סדר ומיקל סטרנו. הוירוסים הם ידידותיים לסביבה, לא מזיקים לבני אדם, ואומנם פגיעים לבקטריות. וירוסים אלה מרכיבים את הקצוות החיוביים והשליליים הטעונים של סוללות ליתיום איון – דוגמת אלה שמוצאים במחשבים ניידים. הסוללות הן בעלות אותה קיבולת אנרגיה ויכולת ההספק כמו הסוללות הנטענות החדישות ביותר שחושבים עליהן היום. בבדיקות, הסוללות יכלו להטען ולהתפרק לפחות 100 פעמים ללא שאבדו מכוחן.
 
בסוללת ליתיום איון מסורתית, יוני הליתיום זורמים בין האנודה שהיא טעונה שלילית – בדרך כלל גרפיט – לעבר הקתודה שהיא טעונה חיובית – בדרך כלל תחמוצת הקובלט או ליתיום ברזל פוספט. המפתח לרעיון ולפריצת הדרך ארע כאשר הצוות הבין שטכנולוגית הסוללה הוא בוירוס מהונדס גנטית, בקטריופאג’ אמ-13- וירוס פרזיטי שתוקף בקטריה ומתרבה בתוכה. הגנים של הוירוס הזה שונו גנטית כדי שהוא לא יוכל לתקוף בני אדם וגם כדי שהוא יצור חלבונים שאוספים את מולקולות תחמוצת הקובלט, ויצרו חוטים דקיקים עבור האנודה.
אחר כך, הקבוצה יצרה שכבות של סוללות ברמת הננו – בגודל של חמישה מיקרונים – מחומרים שעברו הרכה עצמית על ידי וירוסים. הוירוסים למעשה בונים את חומר הסוללה. החוקרים עשו זאת על ידי יצירת מיליארדים של וריאציות רנדומאליות בוירוסים, ואחר כך תוך שימוש בעקרון הביולוגי, לפיו הוירוס שהוא הכי מתאים הוא זה ששורד, נבחרו בסלקציה אלה שיבצעו את המטרות הרצויות. 
בהתחלה אם כן, לפני שלוש שנים הקבוצה הדגימה את היכולת של ההרכבה העצמית של הוירוסים כדי ליצור שכבות סוללה גמישות מחומרי אנודה. הוירוס ציפה עצמו עם תחמוצת הקובלט וזהב כדי ליצור ננו-חוט. אולם לבנות קתודה היה זה מסובך יותר מאנודה, כי קתודה צריכה להיות מאוד מוליכה כדי להיות אלקטרודה מהירה. מרבית החומרים המועמדים לקתודות הם מאוד מבודדים ולא מוליכים.  
ולפני כמה חודשים , הקבוצה הדגימו שוירוסים שמהונדסים גנטית יכולים בהרכבה עצמית ברמת הננו ליצור חומר קתודה שתבוא יחד עם האנודה. חוטי ננו של יון ליתיום פוספט פלוס כסף אוספים ננו-צינורית פחמן בודדת בחודם כדי להגדיל את המוליכות. הוירוס החדש משתמש בשיטה דומה כדי לצפות עצמו בברזל פוספט ובכסף, ואז הוא משתמש בזיהוי מולקולארי כדי לאסוף ננו-צינוריות בקצותיהם לטרנספורט אלקטרונים יעיל יותר: האלקטרונים יכולים לנוע לאורך הננו-צינוריות מפחמן, כאשר הם מחלחלים דרך האלקטרודות אל הברזל פוספט ומעבירים אנרגיה בזמן מאוד קצר. בהתחלה הקבוצה ניסתה להנדס את החומר ללא הננו-צינוריות, אבל המוליכות שלו לא הייתה מספיק טובה. ואז הם מצאו וירוס שייצמד לננו-צינוריות באמצעות הזיהוי המולקולארי. משימה זו התבררה כמאוד מורכבת, מכיוון שרק שניים מתוך מיליארד וירוסים – כל אחד בעל קוד גנטי שונה ושעבר סלקציה על ידי העיקרון של זה שהוא המתאים ביותר הוא זה ששורד – הם אלה שלכדו ננו-צינוריות על חודם.
האלקטורנים יכולים לנוע לאורך רשתות של ננו-צינוריות פחמן כאשר הם מעבירים אנרגיה מאוד מהר. אם מוסיפים ננו-צינוריות מפחמן, זה מגדיל את המוליכות מבלי להוסיף הרבה “משקל” לסוללה. 
החומר שהתקבל – שניתן ליצור אותו בצורה מסחרית בתמיסה – אז התייבש לכדי אבקה והוא מורכב מחמש אחוז ננו-צינוריות של פחמן. אחרי שהוירוסים המהונדסים גנטית שמשו בהרכבה עצמית ברמת הננו ליצור חומרי סוללות ליתיום איון, הסוללות שהתקבלו אז הודפסו לשכבות פלסטיק תוך שימוש בתהליכים ירוקים, וניתן להטביע אותן על מגוון משטחים.  המיקרו-סוללות, שהן בערך בגודל של מחצית השערה האנושית (חמישה מיקרונים), יכולות יום אחד לספק כוח למקורות רפואיים כמו גם ליצור מעבדות חדשות על צ’יפ. בהדגמות ניתן היה להטעין את הסוללות מאות פעמים ללא ירידה נראית בביצוע.

ראו כאן.

הננוטכנולוגיה פוגשת את הביולוגיה בננוביוטכנולוגיה 
מה דעתכם להשתמש בדנ”א כחומר מבני במקום כחומר גנטי?  
מדעני ננו ומהנדסים ביוכימאים משתמשים בדנ”א לא כקוד שמשכפל את עצמו, אלא כמכשיר פיזיקאלי לבניה ברמת הננו. לפני כמה חודשים חוקרים מאוניברסיטת המדינה של אריזונה ומאוניברסיטת ניו יורק – כל אחד מהם בנפרד – הציעו דרכים להשתמש בדנ”א כשלד שעל גביו הם יבנו מולקולות מאוד מתוחכמות. לעבודתם יש משמעויות למכשור הנדסי, כמו למשל חיישנים ביוכימיים, לאנליזת תרופות, ואפילו למחשוב דנ”א.
בעוד היישומים הפראקטיים של הטכניקות האלה הם מעניינים כשלעצמם, חשיבותם הגדולה יותר היא ההדגמה של הסיבוכיות ההולכת וגוברת אודות יכולתנו לעבוד עם מבנים מולקולאריים בגודל ננומטרי – דהיינו מליארדית המטר – האלמנטים הארכיטקטוניים הבסיסיים של הננוטכנולוגיה. המחקר מוכיח שניתן להפקיע את המיכון התאי של הטבע למטרת יצור המוני של מבנים ורכיבים מורכבים למטרת הנדסה בסקאלת גודל מולקולארית.
נאדריאן זימן מאוניברסיטת ניו יורק והאו יאן מאוניברסיטת המדינה של אריזונה משערים שהשיטה שלהם עשויה להוביל למיזוג של הננוטכנולוגיה והברירה הטבעית של דרווין, לפיה ניתן ליצור רכיבים מולקולאריים ולשפרם על ידי לחץ אבולוציוני מלאכותי מסוים.
הטכניקה נשענת על העובדה שמבני הננו הנדונים מורכבים מדנ”א, החומר הגנטי של התאים החיים. ואילו בעזרת שיטה שקרויה ננוטכנולוגיה שמבוססת על דנ”א סבורים שניתן ליצור כמויות גדולות של מבנים לתעשיית הננוטכנולוגיה.
יצירת מבני ננו אלה מהדנ”א היא בדרך כלל מאוד איטית, מסורבלת ומגושמת. החוקרים הבינו שבגלל שכל התאים מכילים את המיכון המולקולארי לשכפול דנ”א גנומי בדיוק ברצפים מעתיקים, ניתן אולי יהיה לשדלם ליצור מבני דנ”א מלאכותיים במקום זאת. זה כתוצאה יהיה מעין שיבוט של חומר גנטי – טכניקה שהיא כבר מבוססת בביוטכנולוגיה. אבל ליישמה עבור רצפי דנ”א שרירותיים ומלאכותיים, שאין להם שום קשר עם הגנטיקה הרגילה זה מעט בעייתי.
בשנת 2007 זימן, יאן והשותפים שלהם פיתחו שיטות לשכפול דנ”א שיכולות לעבוד ברמת המבחנה, בעזרת מיכון של אנזים טבעי שחולץ מתאים:C. Lin, X. Wang, Y. Liu, N. C. Seeman, H. Yan, J. Am. Chem. Soc. 129, 14475–14481 (2007). 
אבל הם חשדו שהתהליך יפעל הרבה יותר ביעילות בתאים חיים שיכולים לשכפל את עצמם בצורה מעריכית (אקספוננציאלית). כדי להשיג זאת, הם בנו גדילי דנ”א שיתקפלו לשני מבני ננו מורכבים – בצורת צלב ומבנה שזור מסובך גדילי כפול שקרוי מולקולת PX
זימן ויאן הדביקו אותם לגדילים כפולים מעגליים של דנ”א שקרויים “פגמיד”. הם אז הכניסו אותם אל תוך תאים של הבקטריה: Escherichia coli
כתוצאה הפגמיד פועל כמו גנום ויראלי שמדביק את הבקטריה. הדבקה זו יכולה להתפשט לתאים אחרים שגדלים בטווח התרבית תוך סיוע של וירוס בקטריאלי, או של פאג’ שקרוי:M13KO7 וכך ככל שהבקטריות גדלות, הם משכפלות את הפגמיד, שמכיל את קטע הדנ”א שמייצר את מבני הננו.
החוקרים אז פצלו ופתחו את התאים והשתמשו באנזימים כדי לקצץ את הדנ”א ששימש חומר גלם החוצה מהפגמיד, וכתוצאה מכך הוא התקפל לננו-מבנים המתוכננים. רק כמות מועטה של דנ”א דרושה כדי להתחיל בתהליך, שניתן “להגבירו” כמעט עד אין קץ. וניתן לאחסן את התאים הבקטריאליים כמעבדות מיניאטוריות מוכנות כדי שניתן יהיה להפיק מהם את החומר כאשר הוא נדרש. ראו כאן.
למרות שניתן להשתמש בברירה הטבעית נוסח דרווין כדי לתקן ולכוונן את הננו-מבנים, החוקרים יזדקקו למצוא דרך לספק יתרון של יצור חוזר לתאים האלה שהפיקו ננו-מבנים “טובים יותר”. היו שהציעו שניתן לתכנן ננו-מבנים בעלי תכונות קטליטיות כך שהן מקדמות את הגידול וההעתקה של התאים המארחים.
ננוטכנולוגיה שמבוססת על הדנ”א היא תחום בננוטכנולוגיה ששואף להשתמש בתכונות האינטראקציה שבין מולקולות הדנ”א וחומצות גרעיניות אחרות כדי ליצור מבנים נשלטים חדשים תוך שימוש בדנ”א. משתמשים בדנ”א כחומר מבני במקום כנשא מידע גנטי – וזו דוגמא למה שקרוי “ביוננוטכנולוגיה” – השילוב של ביולוגיה וננוטכנולוגיה – השימוש בביומולקולות ליישומים בננוטכנולוגיה. יש לתחום ישום במה שקרוי “הרכבה עצמית מולקולארית” – מולקולות שמתחברות זו לזו מאיליהן ליצירת מבנים מורכבים מאוד שיכולים לפעול במספר דרכים שונות. בתהליך היצירה הזה ישנה הקטנה של האנרגיה שדרושה לתהליך ההרכבה העצמית וגם אין התערבות בתהליך – הרכיבים הדרושים מתחברים מאיליהם לכדי יצירת המבנים הנכונים בהינתן התנאים והתכנון.  
ננומחשב 
לתחום יש ישום במה שקרוי מחשוב בעזרת הדנ”א. במקום טכנולוגית מחשב שמבוססת על סיליקון, מחשוב הדנ”א – או ביתר כלליות מחשוב מולקולארי – משתמש ביתרון שבמולקולות של הדנ”א למטרת חישובים. מחשבי דנ”א הם מהירים וקטנים יותר מכל מחשב שנבנה אי פעם.קודם כל, מהו אם כן ננו מחשב באופן כללי?
ננו מחשב הוא מחשב שממדיו הם מיקרוסקופיים. התחום של ננו-חישוביות גם הוא חלק מהתחום האינטרדיסיפלינארי המתפתח שנקרא ננוטכנולוגיה. מספר סוגים של ננו-מחשבים הוצעו על ידי החוקרים. ישנו הסוג האלקטרוני. ננו-מחשב אלקטרוני יפעל בצורה דומה לזו שבה פועל מחשב שאותו אנו מכירים היום. ההבדל העיקרי מהמחשב שבו אנו עובדים כרגע הוא סקאלת הגודל. יותר ויותר טרנזיסטורים נדחפים אל תוך צ’יפ של סיליקון עם כל שנה שעוברת לה, כאשר אנו עדים לכך שהמעגלים המשולבים מסוגלים ליכולת אחסון ועיבוד גבוהה יותר. הגבול הסופי למספר של טרנזיסטורים ליחידת נפח נכפה על ידי המבנה האטומי של החומר. מרבית המהנדסים מסכימים שהטכנולוגיה עדיין לא הגיעה קרוב לדרגה שבה היא מגיעה לגבול זה. מבחינת המובן האלקטרוני, המושג ננו-מחשב הוא יחסי. כי בשנות השבעים המיקרו-מעבדים של היום יכולים להיחשב לננו-רכיבים והיום בכלל כבר מדברים על חומרים חדשים ליצור ננו-אלקטרוניקה שיחליפו את הסיליקון…
עתה נעבור לסוג אחר של ננו-מחשבים שבהם עוסק מאמר זה. הננו-מחשבים הביולוגים והכימיים. הם מאחסנים ומעבדים מידע במונחים של מבנים כימיים ואינטראקציות כימיות. ננו-מחשבים ביו-מכניים כבר קיימים בטבע. מה זאת אומרת? הם גלומים בכל היצורים החיים. בכל יצור חי בכל תא חי יש ננו-מחשב. אבל מערכות אלה הם במידה רבה בלתי נשלטות על ידנו האנשים. אנחנו לא יכולים, למשל, לתכנת יצור חי או צמח לחשב מספרים, או לתכנת נוגדן שילחם היום במחלה כלשהי (למרות שהרפואה הגיעה מאוד קרוב לאידיאל זה בכך שהיא יצרה חיסונים, אנטיביוטיקה, תרופות אנטי-ויראליות וכדומה).
ההתפתחות של ננו-מחשב כימי אמיתי כנראה תתמקד לאורך דוגמא שהיא דומה לזו ומבוססת על הנדסה גנטית. המהנדסים צריכים להבין כיצד לגרום לאטומים בודדים ולמולקולות בודדות לבצע חישובים נשלטים וגם בנוסף לאחסן את הנתונים לאחר החישובים והמשימות האלה – והרי אלה הם התכונות של מחשב כפי שאנו מכירים אותו כיום.
ננו-מחשבים מכניים ישתמשו ברכיבים נעים זעירים ביותר הקרויים ננו גירים כדי לקודד מידע. מכונה כזו מזכירה מאוד את המנוע האנליטי של צ’רלס בבאבג’ מהמאה ה-19. מסיבה זו, הננו-מחשב המכני עורר מחלוקת, מכיוון שחוקרים מסוימים מחשיבים אותו כ”מכונה” שלא תעבוד. כל הבעיות שהן אינהרנטיות במכשיר של בבאג’, לפי המתנגדים מועצמות בננו-מחשב המכני. חרף זאת, כמה עתידנים אופטימיים אודות הטכנולוגיה, והם אפילו הציעו את האבולוציה של ננו-רובוטים שיכולים להפעיל או להיות נשלטים על ידי ננו-מחשבים מכניים.
 
המנוע הדיפרנציאלי של צ’רלס בבאג’ מהמאה ה-19
ננו-רובוטים: ננורובוטים?… בינתיים רק במדע בדיוני.
נשאלת השאלה למשל האם מיקרוסקופ הכוח האטומי הוא ננו-רובוט?
ננו-מחשב קוונטי יפעל על ידי אחסון מידע בצורת מצבים אטומיים או ספינים קוונטיים. טכנולוגיה מסוג זה היא כבר בפיתוח בצורת זיכרון חד-אלקטרוני ונקודות קוונטיות. מצב האנרגיה של האלקטרון בתוך האטום, שמיוצג על ידי רמת האנרגיה או הקליפה של האלקטרון, יכול תיאורטית לייצג 1, 2, 4, 8, או אפילו 16 ביטים של נתונים. הבעיה העיקרית עם הטכנולוגיה הזו היא חוסר יציבות. קשה לנבא מצבי אנרגיה רגעיים של האלקטרון ואפילו יותר קשה לשלוט בהם. האלקטרון יכול בקלות לרדת למצב אנרגיה נמוך יותר, כאשר הוא פולט תוך כדי כך פוטון, ולהפך, פוטון שפוגע באטום יכול לגרום לאחד מהאלקטרונים שלו לקפוץ למצב אנרגיה גבוה יותר.
נשוב לננו-מחשבים הביולוגיים. 
ב-2002 חוקרים ממכון ויצמן ברחובות גילו מכונת חישוב מולקולארית שניתנת לתכנות והיא מבוססת על אנזימים ומולקולות דנ”א במקום על צ’יפים. הרעיון הוא שהדנ”א הוא התוכנה והאנזימים הם החומרה. שמים אותם יחד והם עוברים ריאקציות כימיות… שאלת תם: איפה מסך המחשב של מחשב הדנ”א?… הוא הרי מחשב הלא כן? ובכן… הנה התשובה: לעין העירומה מחשב הדנ”א נראה כמו תמיסת מים נקייה במבחנה. אין שום רכיב מכני, ולמעשה אם נתבונן בטיפת מים, אז המוני רכיבים ביו-מולקולאריים יכולים להתאים לתוכה. במקום שנראה אותם על מסך מחשב, התוצאות מתקבלות ונבחנות בעזרת טכניקה שמאפשרת למדענים לראות את האורך של מולקולת הדנ”א שמתקבלת כפלט. מולקולות הקלט, התוכנה והחומרה מעורבבות בתמיסה ו”המחשב” פועל על בסיס ריאקציות.
אין רכיבים מכניים כאן. מחשב הדנ”א נראה בסך הכל כמו תמיסה מימית רגילה, “מרק הדנ”א” של שפירו נראה רגיל למדי למי שבמקרה יעבור לידו; אבל מבחינת אחסון הוא יכול להשיג 15,000 טריליון מחשבים בני זמנו… ויעילות האנרגיה שלו היא יותר מפי מיליון מזו של מחשב אישי רגיל בן זמנו… 
וכך נראה שאפילו בספר השיאים של גיניס התעניינו במחשב הדנ”א… המחשב של המדענים מרחובות בראשות הפרופ’ אהוד שפירו יכל לבצע 300 טריליון פעולות לשנייה – יותר מפי 10,000 ממהירות מחשב אישי – כי הוא מחשב דנ”א מולקולארי ולא מורכב מצ’יפים של סיליקון ולכן הוא כה מהיר. שנה אחר כך, ב-2003 הקבוצה של שפירו ניסתה לשפר את ה”מחשב”.
אבל אתם אל תרוצו לחנויות עדיין לקנות מחשבי דנ”א… כי המחשב לא יכול לבצע פונקציות יסודיות ואין לו יכולת לביצוע יישומים פראקטיים. ניתן לתכנתו אבל הוא לא אוניברסאלי. ישנן משימות חישוביות שבאופן אינהרנטי ובסיסי מחשב דנ”א אינו מסוגל לבצען. מבחינת מהירות מחשב, מחשב הדנ”א עובר באלפי מונים את מחשב הסיליקון הרגיל: בעוד שמחשב רגיל מסוגל לבצע חישוב אחד במהירות הבזק, גדילי דנ”א יוצרים מיליארדי תשובות פוטנציאליות בו-זמנית. כך הם מתאימים לפתרון בעיות בלוגיקה עמומה – בעיות שלהם פתרונות רבים.
כך גדילי הדנ”א אינם מתאימים לפתרון הבעיות שהמחשב שלנו נוהג לפותרן בדרך כלל: בעיות שמבוססות על לוגיקת הכן או לא. אולם בעתיד סבורים שניתן יהיה לשלב מכונות שמשתמשות בסיליקון באופן מסורתי וגם שיהיה להן רכיב מעבדי מחשבי דנ”א שיקבלו משימות שיתאימו להם.
נראה שמחשב הדנ”א יכול לשמש כמעין דוקטור פנימי בגוף. ובכך הוא יגרום למהפכה בתחום התרופות והביו-רפואה. בעתיד סבורים שמחשבי דנ”א יעמדו על המשמר בתוך הגוף שלנו ויבדקו ויבצעו דיאגנוזות כל הזמן. כאשר הם ימצאו שמשהו לא בסדר הם ישחררו את התרופה המתאימה כדי לתקן את הפגם או הרקמה החולה. זהו רופא פנימי אוטונומי שעובד כרופא של התא ופועל בתוך התא החי וחש מתי יש אנומליות וחולי: המחשב יכול להגיב לחולי על ידי שחרור תרופות. לא יאומן…

באפריל 2004 אהוד שפירו פרסם מאמר נוסף עם קבוצתו, לאחר שהם שיפרו את הדגם שלהם מ-2003. שפירו יחד עם החוקרים: יעקב בננסון, בנימין גיל, אורי בן דור ורבקה הדר ממכון ויצמן הכריזו בכתב העת ניצ’ר על כי הם בנו את מחשב הדנ”א הבא. למחשב יש יחידה סטנדרטית של קלט-פלט והוא הצליח לבצע דיאגנוזה של פעילות סרטנית בתוך התא, ואחר כך לשחרר תרופה אנטי-סרטנית בשעת הדיאגנוזה! מיד נראה למטה כיצד הננו-מחשבים מתקדמים במהירות שיא ויש מחשבות עתידניות לגבי הננו-מחשבים: בשנים האחרונות, הדנ”א הופיע כחומר מבנה אידיאלי לננוטכנולוגיה בגלל שניתן לתכנן אותו ול”תכנת” אותו. כדי שהוא ירכיב עצמו למבנים מורכבים, כמו כלובים גיאומטריים ורשתות מסודרות.  ראו כאן.

ראו המאמר של זימן: Seeman, N. C. Nature 421, 427–431 (2003).
כך הדנ”א שימש כדי ליצור “מכונות” בעלות חלקים שנעים תחת פיקוח חיצוני. רכיבים ומבנים אלה נשענים על היכולת של הדנ”א להתקפל ולהתחבר לצורות מדויקות תוך שהוא עוקב אחר כללי ההתחברות הבסיסים, מה ששולט במיזוג גדילי הדנ”א בסליל הכפול של החומר הגנטי הזה. עקרונות הצימוד פירושם שניתן להגדיר מראש את ארכיטקטורת הננו-מבנה של הדנ”א על ידי רצף ארבעת אבני הבניין המולקולאריים שלו, שקרויים נוקליאוטידים, לאורך גדיל בודד. רכיבים אלה נצמדים על הגדיל בדרך שניתנת לניבוי. השתמשו בגישה זו כדי ליצור “רצפי” דנ”א שירכיבו עצמם באופן כזה שהוא מתוכנן לבצע מהלכים חישוביים – מעין ננו-מחשב מכני. ראו המאמר:
 Rothemund, P. W. K. Nature 440, 297–302
 (2006).  
לסיכום ישנם המוני גילויים וכאן הובאה טעימה בלבד, ונפתח צוער אחד קטן ובודד. ואין מנוס מלבד “There’s Plenty of Room at the Bottom”לומר: בינואר השנה מדענים מסטנפורד יצרו אותיות זעירות בגודל ננומטרי.

הנוקיה מורף: הטלפון הסלולארי הננוטכנולוגי העתידי

הנוקיה מורף: הטלפון הסלולארי הננוטכנולוגי העתידי שמשנה את צורתו

מה הקשר בין שיחה לאהובה בטלפון סלולארי ננוטכנולוגי עתידי לננופרח עתידי שהמשתמש בטלפון הזה יעניק לה? שניהם מקורם מאותו המקום במעבדה הננוטכנולוגית בקיימבריג’.

בפעם הבאה שתקנו פרחים לאהוב או לאהובה שלכם, תחשבו על צרור פרחים זעיר, שתוכנן ב-2004 במעבדה הננוטכנולוגית בקיימבריג’. ה”ננופרחים” האלה יכולים לשמש כציפוי חסין המים האולטימטיבי ביותר שקיים היום.

כאשר אנשים שותלים פרחים בעציצים או בגינות הם מחכים ימים או אף שבועות עד אשר הם רואים שפרח צומח בעציץ או בגינה של ביתם ואז הם מחייכים מהנאה. ומי שאין לו סבלנות במחוזותינו, קונה פרחים מלאכותיים.

אבל במעבדה במרכז הננוטכנולוגי באוניברסיטת קיימבריג’ לא צריך לקנות פרחים מלאכותיים בחנויות וגם לא צריך לבזבז מים כדי להשקות אותם ולדאוג למשק המים שמצוי בצרות צרורות כמו אצלנו. להפך, הפרחים דוחים מים.

ה”ננופרחים” פריחות זעירות של סיליקון קרביד  פרחים שהם פי אלף דקים יותר מקוטרה של השערה האנושית גדלים להם כמעט מיידית.

חבר’ה שמעו נא, פתרון אידיאלי למשק המים הישראלי…


Credit: Ghim Wei Ho, Cambridge University.

תמונה במיקרוסקופ אלקטרוני סורק של ננופרח סיליקון קרביד.

האם אתם רוצים זר של ננופרחים?

ה”גננים” הם מדעני הננוטכנולוגיה מארק וולנד וגים וואי הו מהמעבדה הננוטכנולוגית בקיימבריג’. ציוד הגינה שלהם הוא חלקיקים מיקרוסקופיים שמשמשים כזרעים. העיקרון הבסיסי לגידול כל סוגי הפריחות האלה של מבני הננופרחים הוא שלוקחים זרעי חלקיקים, וחושפים אותם לתערובת של “חומרים מזינים” בדיוק כמו צמחים אמיתיים. ובמקרה זה החומרים המזינים הם סוגים שונים של גזים. הגננים גידלו את המבנים הפרחוניים האלה על סובסטרטים של סיליקון על ידי שיקוע אדים כימיים. הם מקמו אבקת גליום ניטריד על משטח הסיליקון והזרימו מתן על הדוגמיות. תחת טמפרטורות מסוימות ותנאי לחץ מסוימים, נוצרו ננופרחים מסיליקון קרביד. המבנים נוצרו בקוטר של בין 1-2 µm והיו באורך של 3-5 µm.

לפי המדענים, לננופרח טיפוסי גבעול שזור, ראש פקעת שמורכב ממארז של ננו-חוטים, וחלקיק זרז בודד שמחובר לקצה ראשו. היחס הגבוה של שטח הפנים לנפח של הפרחים והננו-מבנה המורכב שלהם מוביל לתכונות פיזיקאליות וכימיות שונות מסיליקון קרביד גדול. החוקרים שינו את תנאי תהליך הריאקציה ויצרו גם ננועצים ולכאורה “גינה שלמה”… וכך בהחלט ניתן לומר: ברוכים הבאים לגינת הננוטכנולוגיה.


Credit: Ghim Wei Ho, Cambridge University.

ננועץ מסיליקון קרביד

 

מסתבר שלננופרחים – בנוסף ליישומים באולטרא קבלים הדור הבא בתחום ההספק ובסוללות העתיד יש יישום עתה בטלפונים הסלולאריים העתידניים וגם כן באותה מעבדה באוניברסיטת קיימבריג’. ברוכים הבאים לעולם הננוטכנולוגיה המוזר והעתידי…

Nokia Morph הוא מושג ננוטכנולוגי משותף שאותו מפתחים מזה כשנה במרכז הפיתוח של נוקיה ובאוניברסיטת קיימבריג’ בבריטניה, ואת הרעיון העתידני הציגו במוזיאון לאומנות מודרנית בניו יורק בתערוכה שנערכה בשנה שעברה.

ה”מורף” כפי שהוא נקרא, הוא טלפון סלולארי עתידני שמשנה את צורתו בהתאם לרצון המשתמש. המוצר מדגים כיצד רכיבים ניידים עתידיים יכולים להמתח ולהיות גמישים לגמרי. זאת כך שהמשתמש יוכל להמיר את המכשיר הנייד שלו לצורות לגמרי שונות החל מטלפון לכאורה קשיח ועד לשעון יד שנלבש כצמיד על היד.

המכשיר מדגים את הפונקציונאליות האולטימטיבית שהננוטכנולוגיה יכולה לתת: חומרים גמישים, אלקטרוניקה שקופה ומשטחים שמנקים את עצמם.

אולם כאן אולי צפויה מעט אכזבה… כי הצפי הוא שהמכשיר יהיה זמין לשיווק רק בעוד עשר או מינימום שבע שנים…

הננוטכנולוגיה מאפשרת לחומרים ולרכיבים להיות גמישים, נמתחים ושקופים וחזקים באופן יוצא מהכלל. נוקיה מסבירה שחלבוני פיבריל נשזרים אל תוך המארג התלת ממדי, מה שמגביר מבנים אלסטיים דקים. תוך שימוש באותו העיקרון שעומד מאחורי קורי עכביש, אלסטיות זו מאפשרת לשנות צורות ולהתאים למשימה הנדונה, וזה הרי מזכיר את התכונות של הננו צינוריות מפחמן.

התכנון המקופל של הטלפון יתאים בקלות לכיס של המשתמש ואז הוא ימיר את עצמו תוך מתיחה גמישה מבחינה אגרונומית למעין שפופרת ארוכה. בתכנון גדול יותר, בעוד הטלפון לא מקופל, הוא יכול להציג מידע מפורט רב יותר, והוא יכול להכיל רכיבי קלט כמו מקלדות וטאץ’ פאדים. אפילו אלקטרוניקה משולבת, החל מחיבורי מחשב ועד לחיישנים, יכולה להיות בעלת התכונות הגמישות האלה – אם היא נבנית מאותם החומרים. בנוסף, היצור והמחזור של המכשירים הננוטכנולוגיים החדישים האלה עשוי להיות קל יותר בעזרת חומרים מתכלים ביולוגית (מה שקרוי biodegradable materials), וגם המכשיר יכול להיות חברותי יותר מבחינה אקולוגית.

הננוטכנולוגיה יכולה גם למנף מכשירים כך שניתן לייצר מכשירי טלפון סלולאריים בעלי משטחים שמנקים את עצמם, וכך לבסוף נפחית את הקורוסיה, את הבלאי ונאריך את חיי המכשיר. כאן בדיוק נכנסים הננופרחים אותם הזכרנו קודם לכן. משטחים ננומבניים, כמו למשל ה”ננופרחים” עליהם דברנו קודם, באופן טבעי דוחים מים. משטחים אלה דוחים גם לכלוך ואפילו טביעות אצבע כאשר הם מנצלים אפקטים שרואים אותם גם במערכות טבעיות.

המכשיר החדש מראה כמה קפיצות מהפכניות בטכנולוגיה שיפתחו ספקטרום חדש של אפשרויות. מאמינים שהננוטכנולוגיה יכולה לספק קשת רחבה של שימושים ולאפשר מכשירים הרבה יותר חכמים.

נוקיה מעריכה שהצרכנים ירצו לרכוש את המכשיר בגלל שהוא מתאים את צורתו למשתמש. המכשיר הוא ידידותי בכך שהוא ניתן להמרה למצבים שונים של נשיאה.

בנוסף, המכשיר ייתן סוג חדש של יכולת להתחבר לסביבה בצורה שלא חשבו עליה קודם לכן וייתן שירותים חדשניים.

הננוטכנולוגיה מאפשרת למשטח של המכשיר להיהפך למקור טבעי של אנרגיה באמצעות הכיסוי של מבני “ננודשא”, המצאה של מעבדות בל מ-2004, מבנים שאוספים הספק סולארי. הכוונה היא ליישום של מטענים חשמליים למשטחי סיליקון שמהונדסים בצורה מיוחדת כך שהם דומים למעין חודים או קוצים של דשא. זה הופכם לרכיבים פוטוניים.

באותו הזמן חומרי אחסון חדשים בצפיפות אנרגיה גבוהה מאפשרים לבטריות להיהפך לקטנות יותר ולרזות יותר. זאת בעוד שניתן להטעין אותן מהר יותר והן מסוגלות לסבול יותר מחזורי טעינה.  

תכונה נוספת היא אינטראקציה עם הסביבה. במכשיר ישנם ננו-חיישנים שמאפשרים למשתמש לבחון את הסביבה שמסביבו בדרכים לגמרי חדשות: לבדוק זיהום אוויר, לבחון עקבות של תהליכים וחומרים ביוכימיים. יכולות חדשות עשויות להיות מורכבות כמו סיוע ניתור תנאים מתמשכים באיכות הסביבה, או האם הפרי שאנו אוכלים זקוק לשתיפה בטרם יש לאוכלו.

ההערכה היא כאמור שטלפון ה”מורף” יהיה בשוק מינימום תוך שבע שנים. והננוטכנולוגיה תוביל בסופו של דבר להוזלה בפתרונות היצור ותציע פתרונות לשילוב פונקציות מורכבות במחיר נמוך.

ראו המאמר כאן.