הפרס יוענק השנה לאלן אספה , ג'ון פ' קלאוזר ואנטון ציילינגר, על מחקריהם בתחום המכניקה הקוונטית. הם הדגימו בסדרת ניסויים שתופעת השזירה הקוונטית, שאינה אפשרית בפיזיקה קלאסית, אכן מתקיימת. לתגליותיהם יש חשיבות רבה לתחום המחשוב הקוונטי
"בערב יום כיפור הלכו הקוונטים לבקש סליחה מאיינשטיין". כך מתחיל הסיפור "אף אחד לא מבין את הקוונטים" של אתגר קרת, שהתפרסם בספר "צִנורות" ב-1992. שלושים שנה לאחר מכן, בערב יום כיפור תשפ"ג, הודיעה ועדת פרס נובל בפיזיקה שהפרס יוענק השנה לשלושה חוקרים שהדגימו שתחזיות מכניקת הקוונטים, שהרגיזו כל כך את איינשטיין, מתקיימות במציאות.
התחזיות ה"משוגעות" של המכניקה הקוונטית התקיימו. מימין לשמאל: אספה, קלאוזר וציילינגר | איור: Niklas Elmehed © Nobel Prize Outreach
כשתורת הקוונטים התחילה להתגבש בראשית המאה הקודמת, אלברט איינשטיין לא היה היחיד שהסתייג ממנה. המוזרות שלה, וחוסר ההתאמה לכל מה שאנחנו מכירים מחיי היומיום, הטרידו שלל מדענים מכובדים. במיוחד הציק להם חוסר הדטרמיניסטיות – העובדה שכשחוזרים על אותו ניסוי בדיוק מקבלים תוצאות שונות. לפי תורת הקוונטים, מערכת לא נמצאת בדרך כלל במצב מוגדר, אלא במעין צירוף של מצבים שמכונה "סופרפוזיציה". האופן שבו פירשו חלוצי תורת הקוונטים את המדידה היה שרק כשנעשית מדידה, המערכת "קורסת" למצב ספציפי. בחירת המצב הספציפי נעשית בצורה לא-דטרמיניסטית – מעין הגרלה.
לתפיסת ההגרלה הזאת, שנקראת היום "פרשנות קופנהגן", אחראית חבורת מדענים מדנמרק בראשות הפיזיקאי נילס בוהר (Bohr). איינשטיין התקשה לקבל את ההנחה המשונה הזאת והצהיר כי "אלוהים אינו משחק בקובייה". בוהר, כך לפחות מספרים, ענה "איינשטיין, תפסיק להגיד לאלוהים מה לעשות". עם זאת, גם הפרשנות של תורת הקוונטים התפתחה מאז, וכיום רווחת "פרשנות העולמות המרובים" שגורסת כי המצבים השונים ממשיכים להתקיים במקביל, כך שהיא אינה נשענת על חוסר דטרמיניסטיות.
כשמבצעים פעולה על חלקיק אחד, גם החלקיק האחר מושפע ממנה. אילוסטרציה של אטומים שזורים | Spencer Sutton, Science Photo Library
חלקיקים וקוביות
במסגרת הוויכוח שלו עם בוהר ניסה איינשטיין לשלול את הנחות היסוד של מכניקת הקוונטים. בשנת 1935 הוא פרסם עם הפיזיקאים בוריס פודולסקי (Podolsky) ונתן רוזן (Rosen) מאמר שהציע מעין ניסוי מחשבתי שנועד לחשוף סתירה פנימית בתיאוריית הקוונטים. אך במקום סתירה גילו השלושה תופעה משונה חדשה בתיאוריה: השזירה הקוונטית.
שזירה קוונטית היא תופעה שבה המצב הקוונטי של החלקיקים הוא משותף, ואי אפשר להתייחס למצבים שלהם בנפרד כאל ישויות עצמאיות. כשמבצעים פעולה על חלקיק אחד, בעצם מבצעים אותה על המצב המשותף של החלקיקים, כך שגם החלקיק האחר מושפע מהפעולה. אם מלכתחילה הנחנו שהחלקיקים הם ישויות נפרדות, ייראה לנו כאילו יש השפעה מיידית בין החלקיקים, שאינה תלויה במרחק ביניהם.
זוהי קביעה מרחיקת לכת, שכן עד אז לא היה ידוע למדע על אף תופעה או השפעה שיכולה לקרות בקצב מהיר יותר ממהירות האור. איינשטיין, פודולסקי ורוזן טענו, לפיכך, ששזירה אינה אפשרית, והשתמשו בתגלית השזירה הקוונטית כדי להוכיח שיש בעיה בהבנת המכניקה הקוונטית. אך הוויכוח נותר פתוח.
בשנות ה-60 של המאה הקודמת פיתח הפיזיקאי ג'ון סטיוארט בל (Bell) סדרה של אי-שוויונות שהמחישו חסם עליון לכמות המידע שאפשר לחלץ מתוך שני מקורות מידע קלאסיים – כלומר לא קוונטיים – שיש ביניהם התאמה (קורלציה) מסוימת. גם שזירה קוונטית היא התאמה בין מקורות מידע, כך שאפשר להשתמש באי-שוויונות בל כדי להשוות אותה להתאמה קלאסית. לפי התחזיות של תורת הקוונטים, באמצעות שזירה קוונטית אפשר לקבל יותר מידע מכמות המידע המירבית האפשרית לפי אי-שוויון בל. כלומר שזירה קוונטית מאפשרת לבצע פעולה שאסורה מבחינה מתמטית בפיזיקה הקלאסית. הדגמה של מצב מציאותי ששובר את אי-שוויונות בל יכולה לאשש את קיומה של תופעת השזירה הקוונטית, ולכן גם את ההבנה של מכניקת הקוונטים.
פיתח סדרה של אי-שוויונות שהמחישו חסם עליון לכמות המידע שאפשר לחלץ ממקורות מידע קלאסיים. ג'ון סטיוארט בל ב-1987 | Peter Menzel, Science Photo Library
הבסיס של מכניקת הקוונטים
הדגמות כאלה זיכו היום את אלן אספה (Aspect), ג'ון פ' קלאוזר (Clauser) ואנטון ציילינגר (Zeilinger) בפרס נובל בפיזיקה. קלאוזר היה הראשון שיצר שזירה קוונטית בניסוי; אספה שיפר את הניסוי של קלאוזר כך שלא תהיה שום דרך אחרת לפרש את תוצאת הניסוי פרט לשבירה של אי-שוויון בל; וציילינגר שיפר את הניסוי עוד יותר והדגים שימוש בשזירה קוונטית לצורך העברה של מצבים קוונטיים למרחקים ארוכים (טלפורטציה קוונטית), שהיא בסיס חשוב לטכנולוגיות רבות שמפותחות בימינו. כל השלושה השתמשו בטכניקות שזירה של פוטונים – חלקיקי אור, שיש להם תכונות קוונטיות מובהקות.
אספה וקלאוזר בחנו פוטונים שזורים שנפלטו מאטום סידן. אילוסטרציה של מבנה הניסוי | © Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
הממצאים הניסויים של כל אחד מהזוכים משמעותיים מאוד להבנת הבסיס של מכניקת הקוונטים, ומכאן גם להבנת תופעות רבות שבהן מכניקת הקוונטים משחקת תפקיד חשוב. בנוסף, ההבנה של מכניקת הקוונטים מאפשרת פיתוח של טכנולוגיות המתבססות על תופעות קוונטיות, למשל מחשבים קוונטיים. ההדגמה שסיפק הניסוי למצב שבו מערכת קוונטית מסוגלת לבצע משימה בלתי אפשרית לביצוע עבור מערכת קלאסית, היא תמריץ חשוב לפיתוח של טכנולוגיות קוונטיות.
מארצות הברית, מאוסטריה ומצרפת
ג'ון פ' קלאוזר נולד בפסדינה שבקליפורניה בשנת 1942. ב-1969 הוא סיים דוקטורט בפיזיקה באוניברסיטת קולומביה שבניו-יורק, ומאז ועד 1996 עבד באוניברסיטת ברקלי בקליפורניה. כיום, בגיל 80, הוא עדיין עובד בחברה שהקים, J.F. Clauser & Assoc., גם היא בקליפורניה. ב-1982 הוא חלק עם ג'ון סטיוארט בל את Reality Foundation Prize. ב-2010 זכה קלאוזר בפרס וולף יחד עם אספה וציילינגר, שותפיו לנובל שהוכרז היום. וולף נחשב לפרס ש"מנבא פרסי נובל", וזו עוד דוגמה לניבוי מוצלח.
אלן אספה נולד ב-1947 בעיר אז'ן שבצרפת. ב-1971, עם סיום לימודיו לתואר שני, נסע ליאונדה, בירת קמרון באפריקה, ולימד שם בהתנדבות במשך שלוש שנים. הוא למד לדוקטורט באוניברסיטת אורסיי (פריז-סוד), שהפכה מאז לחלק מאוניברסיטת פריז-סאקלה. שם החל לערוך ניסויים על אי-שוויון בל. אספה זכה בפרסים רבים, ביניהם מדליית נילס בוהר של אונסק"ו בשנת 2013, פרס בלצן באותה שנה, וכאמור פרס וולף ב-2010. ב-2015 התקבל כחבר זר באגודה המלכותית למדעים של בריטניה. האסטרואיד 33163 Alainaspect קרוי על שמו.
אנטון ציילינגר נולד ב-1945 בעיר ריד אים אינקרייס באוסטריה. הוא קיבל דוקטורט מאוניברסיטת וינה ב-1971, ומכהן כיום כפרופסור באותה אוניברסיטה. נוסף על פרס וולף וכמובן פרס נובל, הוא זכה בין השאר במדליית אייזק ניוטון ובפרס על שם ג'ון סטיוארט בל. ציילינגר הוא חובב מושבע של ספרי מדריך הטרמפיסט לגלקסיה של דאגלס אדמס, ואפילו קרא לסירה שלו "42". האסטרואיד 48681 Zeilinger, שקרוי על שמו, זכה בשם זה בשנת 2005, לרגל יום הולדתו ה-60 של ציילינגר.
