למרות המאפיינים הייחודיים שלהם, מתברר שעקרונות התרמודינמיקה פועלים גם במנועים קוונטיים

הפיזיקה משחקת לפעמים משחקים שמשלבים קצת מחבואים וקצת נשף תחפושות. מערכות שאין ביניהן כלל קשר נראה לעין מוצאות עצמן מתוארות באותן משוואות. בגרסה המוצלחת ביותר של התרחיש הזה אנו יכולים ללמוד מהתנהגותה של מערכת אחת על האפשרויות הגלומות במערכת האחרת, או ללבן סוגיות לא פתורות במערכת האחת על ידי חקר חברתה. צריך רק לדעת איפה לחפש.

מחקר שנערך באוניברסיטת אוקספורד ופורסם בכתב העת Physical Review Letters מציג מקרה מוצלח ומפתיע, שבו לייזרים, יהלומים וקרינת מיקרוגל פועלים יחד כמנוע. בתנאים מסוימים המנוע שבנו פועל בצורה יעילה יותר ממנוע רגיל, בזכות ניצול תופעות קוונטיות שאינן קיימות במנועים מסורתיים.

תרמודינמיקה ומנועים

תרמודינמיקה היא התחום בפיזיקה שעוסק בחום, עבודה ואנרגיה ובקשרים ביניהם. היא נולדה בראשית המאה ה-19 מתוך הרצון המעשי מאוד לשפר את יעילותם של מנועי הקיטור שהניעו את המהפכה התעשייתית.

ב-1824 פרסם ניקולה לאונר סאדי קרנו (Carnot) ספר בשם "הרהורים על הכוח המניע של האש". קרנו היה קצין הנדסה בצבא הצרפתי. בזמנו הפנוי, עבודתו סביב ציוד מכני (שהייתה שיא הטכנולוגיה של זמנו) עוררה אותו להרהר על עקרון הפעולה שעומד מאחורי מנועי הקיטור של רכבות.

בספרו חישב גבול תיאורטי עליון לכמות העבודה שאפשר להפיק ממנוע חום – כלומר מנוע שמבוסס על כוחות שנובעים מזרימת חום ממקור חום לנקודה קרה במערכת. מה שמעניין בניסוח הזה של הבעיה, כלומר מהבחירה בכותרת "מנוע חום" במקום מנוע קיטור או מנוע ספציפי אחר, היא שמדובר בעיקרון כללי שאינו מושפע מפרטי המכונה שאנו מנתחים. הגבול תקף עבור כל מנוע, ובלבד שיהיה מתאים להיקרא "מנוע חום".

גבול היעילות של קרנו מצא את מקומו בתורת התרמודינמיקה שהתפתחה בהמשך המאה ה-19. הוא חי יחד עם חוקי התרמודינמיקה, שהם מהיסודיים והחשובים בחוקי הטבע הידועים לנו. אך כמוהם גם הוא נולד בעולם שקדם לפענוח מכניקת הקוונטים. אנשים רבים שאלו אם החוקים והמגבלות של התיאוריה הקלאסית, כלומר זאת שאינה מתייחסת לאופי הקוונטי, יכולים להישבר.

אפשר להיווכח בגודל הסוגיה מהתבוננות בנוסחה ליעילות קרנו:  η=1-Th/Tc. היעילות מוגבלת על ידי היחס בין טמפרטורת מקור החום (Th) לטמפרטורת הנקודה הקרה במערכת (Tc). אבל בתיאור הקוונטי של העולם, למשל כשמדובר בחלקיק יחיד, ניתקל מיד בבעיות מושגיות. מה קורה למשל כשהמערכת מורכבת מחלקיק אחד בלבד? במסגרת חוקי הפיזיקה הקלאסית, טמפרטורה של חלקיק בודד אינה מוגדרת כלל. מה תהיה היעילות של מנוע החום במקרה הזה?

ערפול ההגדרות במעבר בין העולם הקלאסי לזה הקוונטי הוא כר פורה לתיאוריות מדעיות. הפיזיקאי רעם אוזדין מהאוניברסיטה העברית חזה כי בתנאים מסוימים אפשר להשתמש בתכונות הקוהרנטיות של מערכות קוונטיות כדי להפיק הספק גבוה יותר מזה של מנוע קלאסי. לא מדובר עדיין בשבירה של גבול היעילות של קרנו, אבל ההבדלים מעניינים מספיק כדי להצדיק ניסוי.

קצין ההנדסה שפענח את מנגנון הפעולה של מנועים. סאדי קרנו וכריכת ספרו המפורסם | מקור: ויקיפדיה, נחלת הכלל
קצין ההנדסה שפענח את מנגנון הפעולה של מנועים. סאדי קרנו וכריכת ספרו המפורסם | מקור: ויקיפדיה, נחלת הכלל

דה-קוהרנטיות על קצה המזלג
מכניקת קוונטים היא התיאוריה שמתארת את העולם בקנה מידה קטן מאוד. היא נולדה בתחילת המאה ה-20 כדי להסביר תופעות שהפיזיקה הקלאסית לא ידעה להסביר.
ההסברים שהציעה התיאוריה היו מוצלחים מאוד, אך הניבו שורה של תחזיות מפתיעות, למשל הניסוי המחשבתי המכונה החתול של שרדינגר שלפיו חתול יכול להיות גם חי וגם מת בו-זמנית. הוא חשף את רעיון ה"סופרפוזיציה" שקובע כי לפני המדידה מערכת יכולה להימצא בכמה מצבים בו-זמנית.
כדי להדגים תופעות קוונטיות, אחד הדברים שאנחנו רוצים לעשות זה לתת למערכת אפשרות להיות במצב של סופרפוזיציה. הזמן שלאורכו נשמרת הסופרפוזיציה מכונה "זמן קוהרנטיות", והוא קצר מאוד. מדוע זה קורה? כי העולם נוטה להתערב. כלומר תופעה מהעולם החיצון, למשל מולקולה תועה או קרן קוסמית סוררת, מפריעה למערכת הקוונטית ו"מודדת" את מצבה, וכך מוציאה אותה מהסופרפוזיציה. כדי להתבונן בתופעות הקוונטיות צריך מערכות מבודדות.

היהלום מבצע עבודה על קרינת המיקרוגל, מעבר לביצועים של מנוע קלאסי דומה | צילום: James Klatzow, מתוך מאמר המחקר
היהלום מבצע עבודה על קרינת המיקרוגל, מעבר לביצועים של מנוע קלאסי דומה | צילום: James Klatzow, מתוך מאמר המחקר 

לייזרים, יהלומים פגומים, ומגברים

אם השתכנענו שיש עניין בחקר מנועי חום קוונטיים, נותרת עדיין השאלה איך בכלל נראה מנוע כזה? בקצרה: לא כמו מנוע. אין בו בוכנות, אין תא דלק שקל לזהות, אין מצתים. אז איך הוא נראה? למשל כמו פרוסת יהלום רבועה בגודל 3x3 מילימטרים שקרן לייזר ירוקה מאירה נקודה קטנה עליה.

אילון פועם הוא חוקר במחלקה למערכות מורכבות במכון ויצמן למדע, אבל בזמן שהמחקר הזה נערך הוא היה פוסט-דוקטורנט בפיזיקה באוניברסיטת אוקספורד. הוא הבין שאת התחזית של אוזדין (ואחרים) אפשר לבחון ביהלום ורתם את הצוות לבצע את הניסוי.

יהלום הוא גוש של אטומי פחמן שנדחס בלחץ גבוה ובטמפרטורה גבוהה עד שהאטומים שלו התקבעו במבנה מסודר שמעניק לו את תכונותיו. לפעמים חלק קטן מאטומי הפחמן מוחלפים באטומים אחרים, וכך משתנות תכונות היהלום. "זיהומים" כאלו יכולים להעניק ליהלום תכונות מיוחדות, למשל צבע. "יהלום התקווה", לדוגמה, הוא יהלום במשקל של 45 קראט ששווה יותר מ-250 מיליון דולר, בין השאר בזכות הגוון הכחלחל שמעניקות לו כמויות זעירות של אטומי בורון שמצאו בו את מקומם באופן טבעי.

בסוג אחר של חילוף, שני אטומי פחמן חסרים במבנה הגבישי של היהלום, ובמקומם מופיע אטום חנקן אחד, בעוד והמקום הסמוך לו נותר ריק. הסידור הזה נקרא Nitrogen-Vacancy Center, או NV בקיצור, והוא מעורר עניין רב בקרב פיזיקאים נסיינים. אחד מגורמי המשיכה העיקריים של מרכזי ה-NV האלה הוא שהם מצליחים לחשוף לעולם החיצון התנהגות קוונטית למשך פרקי זמן ארוכים במיוחד... באופן יחסי כמובן – עדיין מדובר רק במיליוניות השנייה.

מה קורה כשמאירים על מרכז ה-NV בלייזר הירוק? הוא זוהר באור אדום. כדי להבין את זה דמיינו לעצמכם תוף גדול. כשמכים בו בחוזקה הוא מהדהד בהתחלה בתדרי קול גבוהים ונמוכים יחד, אך התדרים הגבוהים דועכים מהר והוא ממשיך להמשיך להדהד בטון נמוך למשך זמן מה.

הבזק של לייזר ירוק מספק אנרגיה רבה למרכז ה-NV. מקצת האנרגיה דועכת דרך גלים אקוסטיים שעוברים ביהלום. רוב האנרגיה הנותרת, כמו הטון הנמוך של התוף, נפלטת בתור אור אדום, שהאנרגיה שלו נמוכה יותר מזו של אור ירוק. אחרי פליטת האור האדום נותרת עוד כמות קטנה יחסית של אנרגיה, שנפלטת בתור קרינת מיקרוגל – שהאנרגיה שלה נמוכה עוד יותר.

הלייזר הירוק מספק למערכת אנרגיה, כמו מקור הדלק של מנוע חום. אבל איך חולבים מהמנוע הזה עבודה? כלומר, באיזה מובן מדובר במנוע? התשובה טמונה דווקא בקרינת המיקרוגל. החוקרים הקרינו על היהלום קרינת מיקרוגל ממקור חיצוני ומדדו את עוצמת קרינת המיקרוגל הנפלטת מהיהלום. אם המנוע עובד, היהלום יגביר את עוצמת הקרינה שהוסיפו החוקרים, כלומר תתבצע עבודה על קרינת המיקרוגל.

הניסוי הסתכם בהצלחה: בהישג שנשמע כאילו הוא לקוח מסצנה בסדרת הטלוויזיה "מסע בין כוכבים", שבה המהנדס הראשי של החללית משתמש בטריק אחד אחרון כדי לדחוף את ביצועי מנוע הספינה, צוות הניסוי הצליח לדחוף את המנוע הקוונטי אל מעבר לביצועים של מנוע קלאסי דומה (אם כי לא מעבר לגבול של קרנו). האם המערכת הזאת היא באמת מנוע או שמא מדובר פה במשחק במשוואות? "בפיזיקה, המשוואות מגדירות את התופעה. אם שני ניסויים מתוארים באותם כלים מתמטיים בדיוק, אזי הם מציגים את אותה תופעה, אולי בתחפושות שונות", קובע פועם.

השלבים הבאים בתחום אינם ברורים עדיין. אחרי שנים רבות שבהן לא נעשו כמעט ניסויים בתרמודינמיקה קוונטית, התפתחויות טכניות ועניין כלכלי גובר בטכנולוגיות קוונטיות מצד ממשלות וחברות ענק כמו גוגל, מייקרוסופט ו-IBM מניע תנופה של פעילות ניסיונית. ההשפעה המעשית ארוכת הטווח עדיין נסתרת מעינינו. במידה רבה אנחנו נמצאים במצב דומה לזה של קרנו במאה ה-19. אנו סקרנים לגבי טיבה הבסיסי של התופעה, ומעוניינים לקדם שיפורים טכנולוגיים מהותיים, אבל נאלצים להתאזר בסבלנות עד שהטכנולוגיה תבשיל.