מדען אורח פרופ' חגי איזנברג

כיצד ניסוי בירושלים הוביל למסקנה שלעתיד יש השלכות על העבר, מה ניתן יהיה לעשות עם מחשב קוונטי, ומה הקשר בין אמונה למדע
X זמן קריאה משוער: 10 דקות

מהי, לדעתך, פריצת הדרך המשמעותית או המסקרנת ביותר שנעשתה בתחום המחקר שלך בשנים האחרונות?

מדי שנה גדלים ומתעצמים זיכרון המחשב, נפח האחסון ומהירות המעבד, ולכן ביצועי המחשבים שלנו עולים עוד ועוד. אבל יש סוג של בעיות חישוב שהוא "כאב ראש" למדעני מחשב משום שהן לא עומדות ביחס ישר להתפתחות הטכנולוגיה. אם נדרוש מהמחשב שלנו לעבד עוד כמה פיקסלים בתמונה, אז לכל היותר הוא יתעכב בעוד כמה שניות ומחר יהיה כבר מעבד שיתמודד עם המשימה בלי בעיה. אבל אם נרצה לחשב באמצעותו, למשל, את הגורמים הראשוניים של מספר גדול במיוחד, הוא כבר לא יעמוד בזה. או לחילופין, אם ניתן לו לחשב מהי הדרך הקצרה ביותר להגיע לעשרה יעדים המחוברים אחד לשני, הוא יצטרך להשתלט על יותר מ-3.5 מיליון אפשרויות. אם נוסיף 3 יעדים בלבד, נגיע כבר למיליארדי אפשרויות. הקושי בסוג זה של בעיות הוא מעריכי (גדל בחזקה) ולכן התמודדות איתו מביאה מחשבים לקצה גבול היכולת שלהם מהר מאוד. בשנות השמונים, ריצ'רד פיינמן, הפיסיקאי הנודע זוכה פרס נובל, הגה פיתרון מקורי. מה היה אילו היינו בונים מכונת חישוב ממערכת מהטבע שמתנהגת כמו הבעיה המעריכית שאותה אנחנו רוצים לפתור? כאלו הן מערכות המתנהגות על פי תורת הקוונטים.

אחד הדברים המשונים במכניקת הקוונטים הוא עיקרון הסופרפוזיציה, הרעיון שחלקיק ברמה תת-אטומית (כמו אלקטרון, פוטון, יון) מסוגל להתקיים בכמה מצבים בו זמנית (מבחינת תכונות המיקום, התנע, הספין ועוד). כאשר אנחנו מודדים את החלקיק, המצב המרובה הזה מתייצב למצב חד משמעי. למרות שתצפיות מעבדה רבות מוכיחות שעד המדידה החלקיק מתקיים בכמה מצבים בו זמנית, עדיין קשה לתפוס את זה ולא לחינם פיינמן אמר בחצי הלצה שהוא חושב שאפשר להגיד בבטחה שאף אחד לא מבין את מכניקת הקוונטים. מצד שני, הוא גם אמר שהפרדוקס הוא רק קונפליקט בין המציאות לבין מה שהתחושה שלנו אומרת שהמציאות צריכה להיות. כך או כך, אותו פיינמן הגה רעיון, לפיו עיקרון הסופרפוזיציה עשוי לפעול לטובתנו. לימים חזונו הפך לפריצת דרך.

אם ניקח חלקיק בודד כמו אלקטרון או פוטון, נוכל בקלות לחשב את כל המצבים שבהם הוא מתקיים בו זמנית עד שנמדוד אותו, מדידה שתוביל להכרעה של מצב אחד. אך מה לגבי מערכת בת שני חלקיקים? מה עם ארבעה? כאן מתחילה להיווצר הבעיה שתיארתי קודם, כי כשאנחנו מכפילים את מספר החלקיקים במערכת קוונטית, מספר האפשרויות שבה לא הוכפל, למעשה, אלא הועלה בריבוע. כך, אם היתה לנו מערכת זעירה בת מאה אלקטרונים בלבד, מרחב האפשרויות לפני המדידה יהיה עצום (מספר שאין לו אפילו שם: אחד עם שלושים אפסים אחריו). אבל מה אם היינו מנסים לבנות מחשב ממערכת שכזו? בניגוד לבּיט אחד של מחשב רגיל – המסמל שני מצבים 0 או 1 – ביט קוונטי ("קיוביט") יכול לסמל הרבה מצבים המתרחשים בעת ובעונה אחת. אילו היינו מצליחים ליצור מערכת של ביטים קוונטיים ולהפעיל עליה אלגוריתם של חישוב, היינו מצליחים לפתור בקלות יחסית בעיות מהסוג שתיארתי קודם.

הרעיון של פיינמן החל לסובב גלגלים במוחותיהם של כמה מדענים אבל הוא עדיין נתפס שנים רבות כמשונה ותיאורטי לחלוטין. 12 שנה לאחר מכן, בא פיטר שור וכתב אלגוריתם למחשב קוונטי היפותטי. האלגוריתם של שור נועד לחשב גורמים ראשוניים למספרים גדולים מאוד וזה יצר התרגשות גדולה כי פתאום, הרעיון של מחשב קוונטי נראה שימושי. היו הטלות ספק כמובן, ועוד כמה מהמורות לצלוח כדי לשכנע מדענים, אבל אפשר להגיד שפריצת הדרך התפיסתית של פיינמן, יחד עם זו המעשית יותר של שור, היוו את יריית הזינוק למרוץ לבניית מחשב קוונטי. ועל אף שמרוץ זה נמשך כבר כמעט עשרים שנה, אפשר להגיד שאנחנו עוד בתחילתו.

מהו המחקר שמעסיק אותך בתקופה זו?

המחקר שמעסיק אותי הוא בדיוק אותו ניסיון להתקדם לעבר "הגביע הקדוש" של התחום הזה: בניית מחשב קוונטי. אבל כדי להסביר כיצד, צריך לספר על מוזרות נוספת בתורת הקוונטים: שזירה בין חלקיקים.
כדי שמערכת קוונטית של מספר חלקיקים תשמש לחישוב, יש ליצור קשר בין החלקיקים. השזירה הקושרת בין זוג חלקיקים מקיימת ביניהם מערכת יחסים מעניינת. אם נמדוד אחד מהם ונגרום כך למצבים הסימולטניים להתייצב למצב יחיד, נוכל גם לדעת מה יהיה המצב של החלקיק השני עוד לפני שמדדנו אותו. זה יקרה בו-זמנית, אפילו אם החלקיק השני יילקח לגלקסיה אחרת. איינשטיין, פודולסקי ורוזן ניסו לטעון שישנן תכונות פיסיקליות ("משתנים סמויים") שמכתיבות מראש את התוצאה בחלקיק השני. שהרי אם לא כך, משמעות התוצאה הזו היא שיש תקשורת בין שני החלקיקים (הראשון אותו מדדנו, "משדר" לשני בגלקסיה אחרת את התוצאה שהתקבלה) וזה לא אפשרי, במיוחד אם הם מרוחקים זה מזה. רק כ-45 שנים מאוחר יותר התבצע ניסוי שהראה כי אין משתנים סמויים. מצד שני, אין גם כל תקשורת בין החלקיקים. שניהם פשוט מתנהגים כמערכת אחת, גם אם אחד נמצא כאן בישראל והשני על הירח. אני זוכר את ההתרגשות בפעם הראשונה שחזיתי בתופעה זו במעבדה. אפשר בפשטות להקביל זאת לזוג נשוי. אם בן הזוג בישראל מקבל שיחת טלפון מאריאלה ממפעל הפיס, הסטטוס הכלכלי של השני שנמצא על הירח משתנה גם הוא באופן מידי. בן הזוג המאושר בכדור הארץ אפילו לא צריך להתקשר לזה שעל הירח ולבשר לו; החל משינוי הסטטוס של הראשון, האפקט חל על שניהם כי הם חלק ממערכת אחת.

מחשב קוונטי מסתמך על היכולת לשזור לא רק בין זוג חלקיקים אחד, אלא בין משפחה שלמה של חלקיקים. ככל שהמשפחה תהיה רחבה יותר, כך יהיה ניתן להפעיל חישובים מורכבים יותר באמצעות חלקיקיה. את היכולת ליצור זוגות שזורים יש לנו מזה עשרים שנה. הקושי הוא ליצור מספר זוגות במקביל ואז לשזור ביניהם למערכת אחת גדולה. זו הסיבה שעד היום, שיא העולם בשזירת ביטים קוונטיים הוא זעום ביותר: מדענים הצליחו ליצור מערכות של 14 יונים שזורים ושל שמונה פוטונים בלבד. צרה נוספת היא, שמתברר כי מערכת מרובת חלקיקים אינה שומרת על התכונות הקוונטיות מספיק זמן כדי שיהיה ניתן לגרום לה לבצע חישוב ולקבל פלט. זה כאילו שבזמן אתחול המחשב הביתי שלנו, הביטים הנטענים בזיכרון היו מתפוגגים לפני שתוכנה כלשהי תספיק בכלל לעשות משהו.

גם קבוצת המחקר שלנו שואפת ליצור מערכת מרובת פוטונים שזורים. כיצד זה נעשה? לאחר שאנחנו יוצרים זוג פוטונים שזורים – פוטון מספר 1 ופוטון מספר 2 – אנחנו משהים את קיומו של פוטון מספר 2 (באמצעות מערכת מראות). בשלב הבא, אנחנו יוצרים זוג שזור נוסף של פוטונים: מספר 3 ומספר 4. לאחר מכן, שוזרים בין פוטון 2 לבין 3 וכך נוצרו לנו שני זוגות משורשרים: "משפחה" בת ארבעה חלקיקים שזורים. עתה, מושהה פוטון מספר 4 עד ליצירת זוג שלישי, וכך אנחנו ממשיכים לשרשר עוד ועוד זוגות, תוך הרחבת המערכת הקוונטית. כלומר, בניגוד למעבדות אחרות, אנחנו לא מייצרים זוגות פוטונים במקביל ממספר הֶתְקֵנים ומנסים לשזור ביניהם, אלא שוזרים זוג אחד אחרי השני מאותו ההֶתְקן. כשאנחנו מגיעים לזוג העשירי, למשל, רוב זוגות הפוטונים כבר נמדדו ואינם קיימים. ובכל זאת, עדיין יש להם משמעות כחלק ממערכת. וזו אחת התופעה המעניינות ביותר שגילינו במסגרת הניסוי.

אמרנו קודם, ששני חלקיקים שזורים יפעלו בתיאום גם כשמפריד ביניהם מרחק גדול. ובכן, לפי תוצאות הניסוי שלנו, מתברר שהם פועלים בתיאום גם כשאחד מהם שייך לעבר והשני לעתיד. כשאנחנו יוצרים את זוג הפוטונים השני (פוטון מספר 3 ומספר 4) אז פוטון מספר 1 נעלם זה מכבר, ובכל זאת, המדידה שביצענו על מספר 1 מגדירה לא רק את המצב הפיסיקלי של פוטונים 3 ו-4, אלא גם של פוטון מס' 8 שעוד לא יצרנו בכלל. זהו מצב, שבו פעולה בהווה מגדירה מצב עתידי שעדיין לא נוצר. הראנו גם שזה יכול גם לעבוד להיפך- למצב בעתיד יש השפעה על העבר. מדידת הפוטון האחרון בסדרה תגדיר מחדש, רטרואקטיבית, את מצב המערכת הקוונטית אף על פי שרוב חלקיקיה כבר נעלמו. האפקט המוזר הזה הוא כמובן רק תוצר לוואי של המחקר שלנו, אך הוא מאפשר לצאת מהקופסה בדרך ל"גביע הקדוש" שלנו. אפשר לומר שהמחשב הקוונטי, לאחר שהוא ייבנה, לא יהיה דומה, לא באופן פעולתו ולא בביצועיו, למחשב המוכר לנו כיום.

כיצד אתה רואה את העתיד של תחום המחקר שלך?

בשנים האחרונות המחשב הקוונטי זוכה להרבה הכרה ולאחרונה התבשרנו גם שגוגל ונאס"א משקיעות במחשב העושה שימוש בתכונות קוונטיות. הוא אמנם לא בדיוק עונה על ההגדרה של מחשב קוונטי ולא ברור עדיין אם החברה הקנדית D-WAVE שקיבלה את המימון תעמוד בציפיות, אבל אין ספק שהתחום כולו נהנה כיום מיותר פופולאריות ולגיטימציה. המחקר עצמו מתקדם בערוצים שונים ומאוד יצירתיים, כי אפשר לממש ביטים קוונטיים בעזרת סוגים שונים של חלקיקים ובאמצעות שיטות שונות לשזור אותם. אין לדעת איזו שיטה תעבוד אבל סך הכל, אני מאמין שמחשב קוונטי התחלתי יהיה קיים תוך פחות מעשרים שנה. לאחר מכן, היישומים האפשריים הם רבים. חיפוש מידע ופיתוח אינטליגנציה מלאכותית, הם שתיים מהסיבות שגוגל מתעניינת בטכנולוגיה הזו. העניין של נאס"א הוא, בין השאר, בשאיפה לערוך סימולציה של מזג אוויר בפלנטות אחרות, לדמות התנגשויות בין גלקסיות, ולנתח בזמן קצר כמויות נתונים אדירות של תיעוד החלל, כמויות שרק ילכו ויגדלו.

עולם ההצפנה מתחיל גם הוא כבר להשתנות כתוצאה מהתפתחויות בתחום. בעיקרון, מחשב קוונטי יפצח ביעילות את רוב סוגי הצפנים הקיימים כיום. מצד שני המחקר מביא איתו פרוטוקול חדש: הצפנה קוונטית. לא ניתן לשבור את הצופן הזה בשום דרך (לקח 15 שנה להוכיח זאת מתמטית) וכבר כיום ישנם בנקים בז'נווה שמעבירים ביניהם נתונים בהצפנה קוונטית. בינתיים, הבעיה היא שהמידע המוצפן יכול לעבור רק בסיב אופטי, מה שמגביל את מרחק העברת הנתונים לכמה עשרות קילומטרים. לכן כיוון מחקרי נוסף הוא הניסיון להעביר מידע מוצפן קוונטית ברשת לוויין. כמה גופים בארה"ב, באירופה ובסין עובדים על המחקר הזה ביתר שאת. לאחרונה האמריקאים הפסיקו לפרסם את התקדמותם. אם הם לא הרימו ידיים באופן פתאומי וסימולטני, אפשר לשער שהדוד סם דרש מהם להיעלם מהרדאר.

מהו ההסבר האלגנטי, העמוק או היפה ביותר בעיניך לתופעה כלשהי?

הבנת אופן פעולתה ומהותה של התופעה הנקראת אור שקוּלה להבנת אינספור היבטים של היקום. ראשית, צריך לציין שפוטונים יצרו את כל החומר ביקום. ברמה אנרגטית גבוהה, פוטון הופך לחלקיקי חומר ואנטי-חומר, מה שככל הנראה התרחש לאחר המפץ הגדול. מעניין, אגב, שכבר בספר בראשית יצירת האור קודמת ליצירת חומר ולכן הוא מתואר כשלב ראשוני בכינון סדר בתוהו ובוהו. גם כוחות בין חלקיקים הטעונים במטען חשמלי (כמו חשמל סטטי שמעמיד את השיער על הראש), מוסברים היום באמצעות פוטונים הנפלטים מחלקיק אחד ונקלטים באחר ודוחפים אותם אחד מהשני. אפשר לדמות זאת בעזרת שני אנשים המתמסרים עם כדור: המוסר נהדף אחורנית בעת מסירת הכדור והמקבל נהדף בעת קבלתו. מאחר שפוטונים הם חלק מההסבר לכוחות, לחומר, לאור ולחום, הרי שהם הסבר עמוק לחלק גדול מהעולם הפיסיקלי. אבל מה שמעניין בהסבר הזה, הוא שהוא הולך ומשתנה במשך השנים.

אור תפס את תשומת לב האדם כבר לפני אלפי שנים. לאחר שסגדנו לו, הפכנו אותו לסמל של קדושה ("קרנו פני משה"), פיכחון או התפתחות (עידן הנאורות- enlightenment). במקביל התחלנו לחקור את מהותו ולשאול ממה הוא עשוי וכיצד הוא מתנהג. ניוטון החל לדבר על כך שהאור נע בקווים ישרים. יאנג כבר תיאר את האופן בו הוא נוהג כְּגל. מקסוול והרץ הראו שהאור הוא תופעה אלקטרומגנטית ואיינשטיין הוסיף ששום דבר לא יכול לנוע מהר יותר ממנו. במאה השנים האחרונות, אנחנו גם מבינים שברמת הפוטון, האור מציית לעקרונות של מכניקת הקוונטים. כל שנה-שנתיים מתפרסם מאמר שמגדיר מחדש מהו אור או מראה עוד יוצא מן הכלל של אופן פעולתו. אינני מכיר עוד תופעה כל כך ספציפית ובסיסית שנחקרה כל כך הרבה והיד עוד נטויה. לכן פוטונים (אנרגיה/אור) אינם רק הסבר עמוק ביותר של היקום, אלא גם הסבר שהולך ונעשה יפה ומורכב יותר ככל שחולף הזמן. הוא הולך ומשתנה יחד עם התפתחות ההבנה שלנו את העולם.

לגבי מה אתה אופטימי?

ישנם שני סוגים של אופטימיות: האופטימיות הזהירה, שלוקחת בחשבון את ההיסטוריה ושוקלת היטב את מה שמקובל ונאה לומר, והאופטימיות הלא זהירה, הנחשונית, שנסמכת בעיקר על אמונה. מסיבות של הימנעות מסיכונים, אנחנו נוטים לכבד יותר אופטימיות זהירה, מסויגת, אחראית. אופטימיות לא זהירה נדמית כשייכת לתחום האמונה הדתית, או בורות ספקולטיבית, או תמימות ילדותית. אבל להיות אופטימי זהיר זו לא חוכמה. לקבוע שבסוף יהיה מחשב קוונטי, למשל, זה כמעט לומר את המובן מאליו כי המפה כבר פרוסה לפנינו וצריך רק לסלול את הדרכים. אני חושב שבמדע יש דווקא הרבה מקום לאופטימיות לא זהירה. למעשה, אני חושב שמדען טוב הוא אדם מאמין ותמים. זה נשמע כמו ניגוד בין רציונליות לדמיון, אבל אין כאן ניגוד באמת. גבולות הדמיון האנושי הם אלה שמכתיבים בסופו של דבר את מה שנעז או לא נעז לנסות באופן רציונלי. המרחק בין מדע לבין מדע בדיוני אינו גדול כפי שנראה. הייתי אפילו אומר שפעמים רבות ממצאים מדעיים נדמים מופרכים לצד יצירות מדע בדיוני החוטאות ב"אופטימיות זהירה". ב"נוסע השמיני", למשל, סרט עתידני של רידלי סקוט מ- 79', בני אדם טסים בחלל ופוגשים חייזרים, אבל משתמשים במסכי מחשב טקסטואליים בשחור לבן.

לכן, לצד ההתבוננות הזהירה, אני רואה בעצמי ובמדענים רבים אחרים אופטימיים לא זהירים. אני מאמין, למשל, שיש חיים על כוכבים אחרים, שיום אחד בעתיד הרחוק נוכל להעביר את עצמנו ממקום למקום במהירות העולה על מהירות האור, ונצליח להעתיק את התודעה שלנו למחשב. אני אופטימי שאופטימיות לא זהירה משתלמת ותתברר כתוצאה ישירה של מחקרים שכיום אין לנו היכולת לראות את תכליתם. רק העתיד יעמיד אותם באור הראוי.

מחשבה זו התפרסמה באלכסון ב


תגובות פייסבוק

> הוספת תגובה

7 תגובות על פרופ' חגי איזנברג

02
ימית

כיף לקרוא כתבה על פיזיקה ולהבין כל מה שכתוב בתור אחת שלא מבינה הרבה בפיזיקה ובטח לא בתורת הקוונטים. זה היה ממש מרענן ובעיקר מעודד יצירתיות

04
אלון

למרות ההסברים הפשוטים דבר אחד (לפחות:) בכל זאת לא מובן לי,
המשפט "מדידת הפוטון האחרון בסדרה תגדיר מחדש, רטרואקטיבית, את מצב המערכת הקוונטית אף על פי שרוב חלקיקיה כבר נעלמו..." מרמז שהחוקר יודע מה מצב החלקיקים שנעלמו *לאחר* שמדד את הפוטון האחרון...
- איך הוא יודע (בוודאות) את מצב החלקיקים הללו אם לא מדד אותם לפני שנעלמו?
- אם כן מדד אותם, הרי שהם אלו שהשפיעו על החלקיק האחרון וקבעו את תוצאת המדידה שלו, (ואולי פספסתי משהו?!?).
יש למישהו רעיונות?

    05
    יותם

    אלון, אני אנסה להסביר, בצורה פשטנית: נניח שפוטון הוא יצור שיכול להסתובב בעולם בידיים ריקות או עם חציל ביד - אחד לכל היותר, ותמיד שלם (אין שברים של חצילים. או אפס או אחד). נניח גם ש-"שזירה" היא אינטראקציה שבה שני פוטונים מתחלקים בניהם בחציל אחד בדיוק. לאחר השזירה, כל אחד מהפוטונים נמצא בסופרפוזיציה של מצב בו אין בידו חציל עם מצב בו יש בידו חציל אחד שלם (כזכור, אין דבר כזה חצי חציל!). ברגע שנמדוד את מצבו של פוטון 8, הוא יעבור ממצב של סופרפוזיציה למצב מוגדר-היטב, ובכך יעביר גם את פוטון 1, השזור עמו, למצב מוגדר-היטב. לדוגמא: אם במדידה נצפה פוטון אחד כשבידו חציל, הרי שבהכרח פוטון אחד אינו אוחז בחציל. כך, גם אם פוטון 1 כבר אינו קיים, מדידה של מצבו של בן זוגו לשזירה - פוטון 8 - משנה רטרואקטיבית את מצבו של המנוח מסופרפוזיציה למצב מוגדר-היטב.

    זה נשמע מטורלל, אבל זאת הפיסיקה.

06
שי מלול

אני יודע שזה נשמע מוזר אבל אני בחור בן 19 ופיצחתי איך לעשות מכונת זמן שבמקום על דלק נשתמש אם ניטרו של רכבים אם אני לא טועה זה עובד על ידי פחמן דו חמצני ופחמן חומצי אני חייב בדחיפות מספר של פרופסור לפיזיקה קוונטים

07
אלון

לגבי הניסוי שמראה שתוצאת השזירה אינה נקבעת מראש: "...איינשטיין, פודולסקי ורוזן ניסו לטעון שישנן תכונות פיסיקליות ("משתנים סמויים") שמכתיבות מראש את התוצאה בחלקיק השני... רק כ-45 שנים מאוחר יותר התבצע ניסוי שהראה כי אין משתנים סמויים".
אשמח לקישור להסבר על הניסוי או לפחות את שמו, (רצוי באנגלית), כדי שאוכל לבצע חיפוש בעצמי (בלי להוציא על זה חצי יום :-))
תודה