גדאנקנאקספרימנט: שזירה קוונטית אנושית במעבדה בג’נבה

גדאנקנאקספרימנט: שזירה קוונטית אנושית במעבדה בג’נבה    

משהו מוזר מתרחש במעבדה של ניקולס גיסין באוניברסיטת ג’נבה. גיסין הוא מומחה לשזירה קוונטית. אתם הרי מכירים כבר את השזירה מאמרתו המפורסמת של אינשטיין למקס בורן, פעולה למרחוק של רוחות רפאים. שני חלקיקים ויותר קשורים זה בזה וחולקים את אותו הקיום, גם אם הם מאוד מרוחקים זה מזה.   

חרף התנגדותו העמוקה של אינשטיין מאז 1935, השזירה היא משהו מן השגרה היום במעבדות רבות בעולם. ניתן לייצר אותה, לחקור אותה ואף להעבירה מחלקיק אחד לאחר.

בדרך כלל מודדים קורלציות בין שני חלקיקים מרוחקים, את השזירה, בעזרת גלאים שקוראים להם בז’ארגון של הפיסיקאים הקוונטיים “אליס” ו-“בוב”. גלאים אלה בוחנים את זוגות הפוטונים הנכנסים כדי לבדוק האם תתגלה הפעולה למרחוק של רוחות הרפאים שממנה כה חשש אינשטיין. בניסויים אלה שמכונים “ניסויי בל” – על שם הפיסיקאי הנודע ג’ון בל שפרסם את מאמרו הנודע על אי שוויוני בל ב-1964 – אכן פעולה למרחוק של רוחות רפאים שלטת.    

לא עבר זמן רב, והשדים והרוחות של השזירה הקוונטית השתלטו על הפוסט דוקטורנטים והחוקרים שהחליטו ללכת צעד אחד קדימה ולשאול: מה יקרה אם שני בני אדם יחליפו את אליס ובוב? מהר מאוד יבואו מרבית הפיסיקאים ויאמרו: הליך זה של תצפית אנושית קשור כמובן במספר רב של פוטונים, ולכן במצב עניינים זה, מיד כל אפקט קוונטי יעלם כלא היה.   

גדאנקנאקספרימנט חדש: מנטנגלמנט

ניקולס גיסין החליט להתעקש. החל מ-2008 הוא מבצע גדאנקנאקספרימנטים בסגנון הניסויים שאותם ביצע אינשטיין עצמו ב-1935 ומגדיל לעשות כדי לבדוק האם ניתן לשבט פוטונים עד לרמה שהעין האנושית תוכל סוף כל סוף לחזות בפלא הקוונטי.   

היה ידוע מזה זמן רב שהעין האנושית רגישה מספיק כדי לגלות פוטונים בכמות ניכרת. גיסין אסף כמה משוגעים לדבר כבר ב-2008: את ניקולס ברונר, סיריל ברנסיארד ואחרים. בן אדם לא יכול לראות ישירות שזירה קוונטית. אם כך, אמר גיסין, נבצע ניסוי (גדאנקן) בל שבו גלאים מוחלפים בעיניים אנושיות. אם העין האנושית היא גלאי, אולי כן ניתן לראות שזירה קוונטית בעזרת עיניים אנושיות וללא גלאים תוצרת אנושית? במצב עיניינים זה, גיסין בנה מודל צעצוע, שבו הוא הראה שיתכן וניתן לגלות את השזירה הקוונטית ולהדגים הפרה של אי שוויוני בל. לאור מסקנה זו הקבוצה פרסמה מיד מאמר: “האם מישהו יכול לראות שזירה?” 

 

ניסויי בל בעזרת גלאים אנושיים 

הניסוי שמתואר במאמר פשוט מחליף את גלאי הפוטונים בעיניים אנושיות. נראה היה כאילו אנשים שקשורים בניסוי כזה יהפכו לשזורים. פירושו של דבר, ששני בני אדם יכלו להיהפך לשזורים ולו רק לרגע קט אחד. והרי אליס מארץ הפלאות תאמר לכם שהיא מכירה זאת מארץ הפלאות או מארץ המראה. היא פגשה וראתה את זוג התאומים טווידלדי וטווידלדם, שזורים כדת וכדין: 

 

mantanglement

נשוב להחלפת גלאי הפוטונים בעיניים אנושיות. אפילו המציאו שם לסוג שזירה זה “שזירה אנושית” ובאנגלית זה נשמע אף יותר משכנע:  “mantanglement”.   

החלו מיד עולות וצצות שאלות כגון: כמה זמן אליס ובוב האמיתיים בשר ודם יהיו בשזירה mantanglement כזו? כל עוד פוטונים שזורים יפגיזו את הרשתיות שלהם. ואולי אף זמן ארוך יותר. ומה הם יחושו בעת שהם יהיו שזורים? האם יש מובן לשאלה זו ובכלל, אולי יש לשאול אותה כך, האם ניתן לראות את אליס ובוב שזורים?   

המנטנגלמנט אפשרי

שנה אחר כך, ב-2009 גיסין שיפר את הגדאנקנאקספרימנט שלו והכריז קבל עם ועדה, שניתן להשתמש בעין האנושית בניסוי מסוג בל כדי לחוש בפעולה למרחוק של רוחות רפאים. “ניסויים קוונטיים בעזרת גלאים שהם עיניים אנושיות”, אמר גיסין, “נראים אפשריים, על בסיס מודל ריאליסטי של העין כגלאי פוטונים”.  פירושו של דבר שניתן בעקרון לבצע את הניסוי.

ברם בכל זאת נותרה בעיה קטנה, מכיוון שכאשר מדברים על מודל ריאליסטי מיד נכנסים שיקולים ביולוגיים. העין האנושית לא מסוגלת לראות פוטונים בודדים – זקוקים למלוא החופן כדי לעורר דחף עצבי למוח. יותר נכון, מספר הפוטונים המינימאלי שמסוגלים לעורר את העין הוא בערך 7 בבני אדם. כיצד נשזור שבעה פוטונים בניסויים?     

דבר זה כמעט והרס לרגע כל אפשרות לניסוי מסוג בל עם עיניים אנושיות. ואז באה ההצלה מכיוון בלתי צפוי מאת פרנססקו דה מרטיני וקבוצתו מאוניברסיטת רומא. הם הראו שניתן להעביר את התכונות הקוונטיות של חלקיק בודד לצביר חלקיקים:

F. De Martini, F. Sciarrino, and C. Vitelli, Phys. Rev. Lett. 100, 253601 (2008)

אנחת רווחה נשמעה בשמי ג’נבה. אפשר להגביר פוטון שזור בודד, שאותו כמובן העין האנושית לא יכולה לראות, לכמה פוטונים שזורים, שאותם עינינו כן יכולה לראות. או אז, כן ניתן לטפל בעין כגלאי לכל דבר.   

נראה היה לרגע – שחדשה מסעירה עמדה בפתח נוסח האדם הראשון שנחת על הירח – וכדאי היה כבר לכנס מסיבת עיתונאים כדי לראיין את האדם הראשון שיחוש בשזירה – ב”שזירה אנושית” mantanglement. אבל בסוף מסיבת העיתונאים בוטלה. העבודה בכל זאת העלתה עדיין שאלות נוקבות ובלתי פתורות: “ניסויים קוונטיים בעזרת עיניים אנושיות כגלאים מבוססים על שיבוט באמצעות פליטה מאולצת”.  בעיקר מאמר זה הותיר עדיין את השאלות האלה ללא מענה: האם בעקרון ישנה שזירה קוונטית בין הפוטון הבודד משמאל למצב הקוונטי המוגבר מימין והאם ניתן לגלותה?

 

ניסוי mantanglement עם עין אנושית. פעולה למרחוק של רוחות רפאים בסידור מיקרו-מקרו? פליטה מאולצת בגביש לא לינארי מגבירה את קיוביט הפוטון הבודד (בהליך ההגברה ישנם איבודים).

הריבוע הירוק מייצג לוחית-גל (משנה את הקיטוב של הגל).   

הריבוע האדום מייצג את המגבר (משבט) באמצעות פליטה מאולצת בגביש לא-לינארי. הסיגנלים שהוגברו מפוצלים לשני אופנים ניצבים מקוטבים.

גיסין בינתיים הוסיף להצהרתו אודות הניסויים הקוונטיים בעזרת עיניים אנושיות כגלאים שהם בעקרון אפשריים: “אנו מציינים שתוצאות אלה נותרות תקפות אפילו אם לוקחים בחשבון איבודים לא רק אחרי, אלא גם לפני ובמהלך הליך ההגברה, מה שאפשרי תוך שימוש בעזרת טכניקות דומות לאלה במאמר הנוכחי”.

המנטגלמנט אפשרי אבל לא ניתן לראותו

לפני כשבוע הקבוצה של גיסין שפרה את הגדאנקנאקספרימנט והתקרבה אף יותר לעבר המטרה. הקבוצה המציאה מספר מכונות שיבוט פוטונים משוכללות יותר. 

 

סידור מיקורסופי-מקרוסקופי: מקור יוצר שני פוטונים שזורים. הפוטון השמאלי נמדד בעזרת גלאי פוטונים בודדים SPD. ואילו הפוטון הימני בתחילה מוגבר (יש איבודים) ואז זוג עיניים מגלות אותו. 

מודל מכונת השיבוט החדשה של גיסין לוקחת פוטון אחד מתוך זוג פוטונים שזורים ומשבטת אותו לצביר של לפחות שבעה פוטונים זהים לו. בצורה זו העין האנושית תוכל לראותם. בניסוי כזה העין האנושית תגלה את שבעת הפוטונים המשובטים. זאת בעוד שגלאי פוטון בודד רגיל יגלה את הפוטון השני שהוא שזור לשבעת הפוטונים האלה.  

ושוב נשאלת השאלה המציקה והמטרידה, האם השזירה בין זוג הפוטונים המקורי נשמרת במעבר לצביר הפוטונים החדש, בדרך כזו שמאפשרת מדידה במונחים של השפעה על-אורית? כלומר, במלים פשוטות, האם זוג העיניים האנושיות תחזנה סוף כל סוף בפלא השזירה הקוונטית?

המסקנה של גיסין וקבוצתו היא, שמדידה כזו היא עדיין אפשרית אבל במגבלות מסוימות. נראה שניתן להסיק מסקנות אך ורק לגבי זוג הפוטונים (מיקרו-מיקרו) ההתחלתי. העין תצטרך לעת עתה לחכות… למה הכוונה?

בקשר לסידור הניסויי שלמעלה ניתן לשאול שתי שאלות: 1) האם ניתן לראות את השזירה (מיקרו-מקרו) בין בוב לאליס? 2) האם בעקרון אחרי הגברת הפוטון אצל אליס נשמרת השזירה בין בוב לאליס?

השאלה הראשונה היא שאלת מדידה והיא נבחנת משתי נקודות מבט. מנקודת המבט הראשונה, אם בוחנים את מכונת השיבוט כחלק ממכשיר המדידה, במצב זה לוקחים בחשבון את הקורלציות בין שני הפוטונים הבודדים. לעומת זאת, אם מכונת השיבוט היא לא חלק ממכשיר המדידה והיא שייכת למערכת הנמדדת, במצב זה מדובר בנקודת המבט השניה, בקורלציה בין פוטונים או קיוביטים שהם פוטון בודד-מיקרו ופוטון-מקרו (מולטי-פוטון).  

נניח שמכשיר שיבוט הפוטון הוא חלק ממכשיר המדידה (המקרה הראשון). מכשיר המדידה של אליס הוא קונבנציונאלי. ואילו מכשיר המדידה של בוב בתחילה עושה שימוש במגבר ואחר כך במכשיר מדידה מסוג אנליזור מקרו קיוביט כדי למדוד את מצב הפוטונים המוגברים. שני מכשירי המדידה נראים מאוד שונה. אבל שניהם מפיקים או תוצאה ברורה או, בהסתברות מסויימת, הם לא מפיקים שום תוצאה. מקור שני הפוטונים יוצר שזירה שנצפית בעזרת העין, כפי שניתן להסיק בעזרת מכשיר המפצל אלומה מקטב ה-PBS הסטנדרטי, שאחריו ישנם גלאים פוטוניים בודדים.  

אם מכשיר השיבוט הוא לא חלק ממכשיר המדידה, או אז אנחנו אמורים לצפות לשזירה אפשרית בין הפוטון הבודד באליס למצב המולטי-פוטוני הגדול של בוב. גיסין וקבוצתו עוברים לשאלה, האם מכונת השיבוט משמרת השזירה בעקרון? כלומר, האם אחרי ההגברה של הפוטון של אליס, הפוטון הבודד של בוב שזור עם המולטי-פוטון של אליס? כאן כבר לא בוחנים איזו מדידה יכולה לחשוף את השזירה. ישנה שזירה מיקרו-מיקרו בין שני הפוטונים הבודדים לפני ההגברה. המסקנה של גיסין וקבוצתו היא, שישנה שזירה כלשהי בין הפוטון הבודד משמאל, בוב, לבין המצב הקוונטי המוגבר מימין, אליס, אבל לא ניתן לראותה.  

ובאשר לשזירה של שני בני אדם ולא רק שזירה של בן אדם וגלאי פוטונים, מי יודע אולי בעתיד… 

להמשך קריאה כאן.

Advertisements

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s