פיתוח חדש בהובלת חוקרים ישראלים עשוי לאפשר שיפור ניכר ביעילות של העברת מידע קוונטי דרך סיבים אופטיים

חוקרים ממכון ויצמן למדע, בשיתוף חוקרים מאוסטריה ומגרמניה, פיתחו סיב אופטי דק במיוחד שעשוי לאפשר פיתוח של טכנולוגיות קוונטיות חדשות ולפשט את יישומן. הסיב דק עד כדי כך שגל האור שעובר בו חורג מגבולותיו ויכול לקיים אינטראקציה עם סביבתו.

יחידת הבסיס במחשב הקוונטי היא הביט הקוונטי, המכונה קיוביט. בעוד ביט רגיל מייצג רק אחד משני ערכים בינריים ("0" או "1"), הקיוביט מייצג שילוב קוונטי (סופרפוזיציה) של שני הערכים. אפשר ליצור קיוביט במגוון דרכים. דרך אחת היא שימוש בשתי רמות אנרגיה של אטום, כך שאלקטרון הנמצא באחת מהן מייצג את הערך הבינארי 0, וכשהוא נמצא ברמה השנייה הוא מייצג את הערך הבינארי 1. דרך אחרת היא בעזרת שני מצבים קוונטיים של פוטונים – חלקיקי האור – למשל שני מצבי קיטוב.

התכונות הקוונטיות של אור ושל חומר מעניקות לכל אחד מהם יתרונות מסוימים. קל יחסית לשלוט במצבם הקוונטי של אטומים, אך הם רגישים מאוד להפרעות מהסביבה. לעומת זאת, את מצבו הקוונטי של האור קשה לשנות, אך מרגע ששינינו אותו הוא יכול לנוע למרחק רב, דרך סיבים אופטיים או באוויר הפתוח, ולהעביר את המידע הקוונטי באופן אמין. אם מצליחים ליצור אינטראקציה יעילה ומדויקת (קוהרנטית) בין אור לחומר, אפשר ליהנות מכל העולמות.

אינטראקציה טובה בין אור לחומר עומדת לפיכך בבסיסן של טכנולוגיות קוונטיות רבות, כגון חיישנים ושעונים אטומיים, ורכיבי תקשורת בין מחשבים קוונטיים. אינטראקציה של אטומי מחשב קוונטי עם אור מאפשרת להעביר על האור מידע קוונטי מהאטומים למחשב אחר. העברת המידע בכיוון השני, מהאור אל האטומים, מאפשרת לאחסן את המידע בזיכרון הקוונטי של המחשב האחר.

כדי לשפר את התהליך צריך לרכז את האור בחלל קטן, אך גם לוודא שיגיב עם הרבה אטומים ולמשך מספיק זמן. אפשר לרכז את האור בעזרת עדשה, כמו שעושה זכוכית מגדלת, אך האור יתפזר לשטח רב כבר במרחק לא גדול מנקודת המוקד. העובדה הזאת מגבילה את האינטראקציה ומקשה על שילובה במערכת מעשית של תקשורת קוונטית, שבה רצוי שהאור ינוע לאורך סיבים אופטיים או מוליכי סיליקון.

תרשים: מכון ויצמן למדע ואוניברסיטת הומבולדט בברלין, מתוך מאמר המחקר
רוב האור נמצא מחוץ לסיב הדקיק שמוביל אותו, ולכן חופשי להגיב זמן רב עם האטומים | תרשים: מכון ויצמן למדע ואוניברסיטת הומבולדט בברלין, מתוך מאמר המחקר

העובי קובע

צוות החוקרים בראשות עופר פירסטנברג, רן פינקלשטיין, גל וינר וברק דיין עם עמיתים מאוסטריה ומגרמניה, מצאו במחקר החדש דרך מעשית לשפר באופן ניכר את האינטראקציה בין אור לאטומים. לשם כך הם לקחו סיב אופטי המשמש לתקשורת, והצרו, או "דיקקוּ" חלק ממנו לעובי של מאתיים ננומטרים (מיליארדיות המטר) בלבד – בערך 1/600 מעוביו הזעיר המקורי. כדי להצר את הסיב חיממו אותו מעל להבה זעירה, ובה בעת מתחו אותו. בסיום התהליך התקבל סיב שעוביו משתנה באופן מדורג וחלק על פני כמה סנטימטרים. חלקו הדק ביותר היה בעובי קבוע לאורך חמישה מילימטרים, וזה החלק שבו החוקרים התמקדו. 

בשלב הבא שילבו את הסיב במערכת הכוללת גם גז בטמפרטורת החדר. במקביל העבירו בסיב אור שאורך הגל שלו, כלומר המרחק בין שני שיאים סמוכים של הגל, היה גדול פי ארבעה מעובי הסיב. הם מצאו שהסיב אכן אִפשר לאור להגיב היטב עם האטומים.

בדרך כלל אור שעובר בסיב אופטי נמצא כולו בתוך הסיב ולא חורג מגבולותיו. כאן, לעומת זאת, השתמשו באורך גל גדול בהרבה מעובי הסיב, כך שאף על פי שהאור הושפע מהסיב והובל לאורכו, חלק ניכר ממנו – 99 אחוז – היה חייב לחרוג החוצה.

אפשר לדמות את האור המתקדם לאורך הסיב לחרוז שמתקדם לאורך חוט. אף שהחוט מכתיב את תנועת החרוז, החרוז לא נמצא בתוכו והוא חופשי לבוא במגע עם סביבתו. ההקבלה הזאת היא חלקית בלבד, שכן האור אינו חרוז קשיח, אלא מתנהג כמו גל. כשהסיב האופטי מגביל את תנועת האור, הוא גם קובע את צורתו המרחבית של האור ומונע ממנו להתפזר.

עוצמת האור פוחתת והולכת ככל שמתרחקים מהסיב, אך לעומת סיבים דומים שיוצרו בעבר, הסיב הנוכחי מאפשר לאור להתרחק ממנו הרבה יותר, עד למרחק של כעשרה מיקרון (מיליוניות המטר) ממנו. כך אפשר לאזן בין הצורך לרכז את האור על פני מרחק רב כדי לשפר את יעילות האינטראקציה, לבין הצורך באלומה גדולה שתגיב זמן רב עם אטומי גז רבים שחוצים אותה. בנוסף, המרחק מהסיב הדקיק מפחית מאוד את ההתנגשויות המזיקות של אטומי הגז עם הסיב.

החוקרים מקווים שהסיב הדקיק יאפשר לפתח טכנולוגיות קוונטיות חדשות. חלקן צפויות להיות פשוטות יחסית ליישום, כי לא יהיה צורך לקרר את האטומים ולהאט אותם, או לאלץ את האור להיפלט מתוך הסיבים האופטיים. לדברי פינקלשטיין שהוביל את המחקר "החלק הקשה ביותר הוא השניות האחרונות של משיכת הסיב, שבהן אנחנו מצרים אותו מ-230 ננומטרים ל-200 ננומטרים בלבד. כמעט כל הכישלונות שלנו היו בשלב הזה, ואילו היינו מוותרים עליו האור היה מתרחק רק למחצית המרחק מהסיב, והאינטראקציה עם האטומים הייתה קצרה מדי להעברת המידע".

חמם ומשוך: סרטון המדגים כיצד מקטינים את קוטרם של סיבים אופטיים: 

 

מהי ננו-טכנולוגיה? איך מייצרים טלפונים עמידים במיוחד? ומי הם השחקנים בסרט הכי קטן בעולם? הצטרפו למסע מקוון שייקח אתכם פנימה לעולמם הזעיר של החומרים

לפרטים והרשמה