תורת הקוונטים זוכה בקרב הציבור הרחב ליחסי ציבור גרועים - התיאורים המקובלים של תורת הקוונטים - על חלקיקים שהם גם גלים, ועל חתול שיכול להיות חי ומת בו-זמנית - נשמעים לרוב האנשים כמו סינית מדוברת וגורמים להם לעיתים קרובות לנתק מגע... אבל לאחרונה מתחוללת בעולם המדעי מהפכה בתחום הטכנולוגיה הקוונטית בעלת השלכות נרחבות על חיי היום-יום שלנו ושצפויה לשנות מהיסוד תחומים מרכזיים בחישוב, בתקשורת, בחישה ועוד. המהפכה נשענת על פריצות דרך ביכולת שלנו לשלוט בחלקיקים קוונטיים ולכוון אותם כרצוננו, ונדחפת על ידי מאמצים טכנולוגיים אדירים והשקעות גדולות של מדינות ושל ענקיות הטכנולוגיה (כשסין היא שחקן מוביל, אם כבר הזכרנו סינית). גם בישראל הוכנה לאחרונה תכנית חומש לאומית בהיקף של כ-1.25 מיליארד שקל לקידום טכנולוגיה קוונטית, שמחכה בקוצר רוח לממשלה שתקום. במאמר זה אנסה לבאר את טיבה של המהפכה, לשים אותה בתוך הקשר היסטורי ולהסביר את משמעויותיה עבורנו.
מעט היסטוריה
גילוי תורת הקוונטים בתחילת המאה ה-20 היה רעידת אדמה מדעית, אבל רק בשנות ה-50’ וה-60’ של המאה ה-20 הבשילה המהפכה המדעית לכדי מהפכה טכנולוגית. המצאות כמו הטרנזיסטור, הלייזר והשעון האטומי, שצמחו מתוך ההבנה העמוקה של המבנה הקוונטי של החומר והאור, השפיעו על חיינו ללא הכר - הטרנזיסטור המוליך למחצה הוא רכיב היסוד של מעבדי המחשבים והטלפונים החכמים שלנו והמנוע שמאחורי תעשיית המיקרו- אלקטרוניקה והננו-אלקטרוניקה. שעונים אטומיים הם ליבה של מערכת ה-GPS שבלעדיה אנחנו כבר לא יודעים להגיע לעבודה בבוקר, ואילו הלייזר משרת אותנו בכל מקום - מהקופה בסופר, דרך שולחן הניתוחים ועד מערכות נשק נגד טילים.
אבל המהפכה הטכנולוגית של אמצע המאה ה-20 היתה רק “המהפכה הקוונטית הראשונה”. כעת עומדת לפתחנו מהפכה קוונטית נוספת, והיא בעלת משמעויות מרחיקות לכת אפילו יותר. אנחנו צועדים היום עוד שלושה או ארבעה צעדים קדימה כדי לרתום את המוזרות הקוונטית של שזירה (entanglement) לטכנולוגיה מעשית. שני חלקיקים קוונטיים (או יותר) יכולים להיות במצב שזור, שבו גם אם מצבו של כל אחד מהחלקיקים לא ידוע, מצב מערכת החלקיקים ידוע היטב (מצטער, עוד קצת סינית...). לדוגמה, ניתן ליצור זוגות פוטונים (אור) כך שהאנרגיה של כל פוטון אינה ידועה וגם זמן ההגעה שלו אינו ידוע, ובכל זאת סכום האנרגיות של שני הפוטונים ידוע בדיוק ומובטח שהם יגיעו בדיוק יחד. התוצאה המוזרה הזאת של תורת הקוונטים הטרידה כבר את איינשטיין, אבל כיום היא מוכחת תיאורטית ובדוקה ניסיונית, כך שאין לנו ברירה אלא לאמץ אותה כאמת. ההפתעה היא שככל שמספר החלקיקים עולה, השזירה הקוונטית רק מקצינה (!), מה שמוביל לכך שזוג פוטונים שזורים, או אולי עשרות ומאות אטומים שזורים הם “הרבה יותר קוונטיים” מאטום בודד או פוטון בודד. השזירה עצמה היא המשאב הקוונטי הייחודי, שעליו נשענת המהפכה הטכנולוגית הבאה.
מה זה נותן?
שליטה בשזירה קוונטית בקנה מידה גדול מאפשרת יישומים בעלי חשיבות מכרעת לחיינו בתחומים של תקשורת, חישה, חומרים ומיחשוב. אחד היישומים המוכרים יותר הוא המחשב הקוונטי, שיהיה מסוגל (כשיקום) לפתור בעיות חשובות אשר מחשב קלאסי אינו יכול. למשל, לפרק מספר גדול לגורמיו הראשוניים תוך זמן סביר. בעיה זו היא חשובה כיוון שכל הצפנת המידע כיום ברשת האינטרנט נשענת על כך שפירוק מספר לגורמים ראשוניים הוא בעיה קשה, ומחשב קוונטי יוכל לכן לפרוץ את כל הצפנות הרשת הקיימות כיום (!), מה שהופך אותו ליעד נכסף מחד גיסא ולאיום גדול מאידך גיסא.
חשוב להבין שמחשב קוונטי, כאשר יקום, לא יהיה רק גרסה מהירה יותר או חזקה יותר של מחשבים קיימים, אלא יהווה מהפכה יסודית במשמעות המונח "חישוב" וידרוש שינויי תפיסה יסודיים בנושאים של אלגוריתמים קוונטיים ותכנות קוונטי, שאינם ברורים כלל כעת. לצד אלה, יידרש גם מחקר עומק נוסף בחומרה הקוונטית שתרכיב את המחשב עצמו, כדי להביא אותו למימוש בפועל.
גם אם המחשב הקוונטי מושך את הדמיון, חשוב לציין שהוא מהווה רק ציר אחד בתוך מהפכה רחבה בהרבה, ושהמרחק למימושו בפועל הוא אולי הרחוק ביותר. לעומתו, יישומים בתחום התקשורת והחישה הקוונטית הם קרובים למימוש טכנולוגי וכבר קורים בפועל ובעלי השלכות נרחבות לא פחות. תקשורת והצפנה קוונטית מבטיחות ומיישמות תקשורת חסינה להאזנה באופן מוחלט מתוך עקרונות מכניקת הקוונטים. כל מאזין פוטנציאלי חייב למדוד את האור העובר בתקשורת, ולכן, לפי עקרונות היסוד של מכניקת הקוונטים, המאזין ישפיע על האור הנמדד וכך ישאיר אחריו עקבות שהצדדים לתקשורת יוכלו לגלות בקלות. היום, תחום זה הוא המתקדם ביותר מבחינה טכנולוגית, ומימושים ראשונים קיימים בפועל, הן צבאיים והן אזרחיים. לדוגמה, הסינים שלחו בשנה שעברה לווין לתקשורת קוונטית בין יעדים מרוחקים. האתגר הגדול בתחום הוא קצב התקשורת הנמוך כעת, ופריצות דרך בנושא זה יהיו בעלות משמעות אדירה. חישה קוונטית לעומתה מאפשרת מדידה בדיוק פנומנלי, שמשפרת בסדרי גודל את יכולתנו לקצוב זמן (שעונים אטומיים סופר מדוייקים למערכות ניווט ונשק), למדוד מרחקים, לזהות חומרים (למשל, חומרי נפץ) בכמויות מזעריות עד מולקולה בודדת, למדוד שינויים אפסיים בשדות מגנטיים וחשמליים (למשל, במוח), הרבה מעבר לגבולות היכולת הקלאסית.
בתחום מדע החומרים ניתן לרתום את הכוח הקוונטי כדי להבין ולהנדס את התכונות של חומרים רצויים. סימולציה קוונטית היא גרסה מופשטת של חישוב קוונטי בעלת השלכות יסודיות בטכנולוגיה כימית ובפיזיקה של חומרים מורכבים. מדובר ביכולת לבדוק תפקוד של מודלים קוונטיים מסובכים שאינם ניתנים לחישוב קלאסי, על-ידי מערכות קוונטיות פשוטות ונשלטות, שידמו את פעולת המערכת המורכבת יותר. כך למשל, אפשר יהיה לוודא באופן ישיר ומהיר את פעולתן של תרופות חדשות. ניתן יהיה לבדוק תיאורטית האם תרופה אכן תבצע, ברמה הקוונטית, את אשר אנו מעוניינים שתבצע, ולא על ידי ניסוי וטעיה ממושכים ובזבזניים עד כאב, כפי שנעשה כיום. בהנדסת חומרים קוונטיים מנסים החוקרים לנצל את האינטראקציה הקוונטית בין החלקיקים בחומר כדי לתכנן ולממש חומרים חדשים בעלי תכונות רצויות ונדירות. חומרים אלה הם בעלי חשיבות עליונה לחישוב קוונטי (בין השאר).
ידע חוצה דיסציפלינות
אם מדינת ישראל חפצה לזכות בפירות הטכנולוגיים שהמהפכה הקוונטית השנייה נושאת בחובה ולהיות שחקן משמעותי במרוץ העולמי, האתגר המיידי הוא להכשיר תוך שנים ספורות כוח אדם איכותי שיוכל לקיים מחקר ופיתוח ברמה עולמית, הן באקדמיה והן בתעשייה. זהו אולי האתגר הגדול ביותר העומד בפנינו כי הוא דורש יצירה של בעלי מקצועות שאינם קיימים עדיין, כגון מהנדסים קוונטיים, אנשי תוכנה ואלגוריתמאים קוונטיים, ושהידע הנדרש בהם חוצה דיסציפלינות באופן עמוק (פיזיקה, הנדסה, מדעי המחשב ועוד). האקדמיה הישראלית נדרשת כעת ליצירתיות, הן במחקר והן בהוראה, כדי להעמיד לרשות מדינת ישראל את המחקרים המובילים ואת החוקרים המובילים שיוכלו להצעיד אותנו אל העידן הקוונטי שבפתח.
הכותב הוא פרופסור לפיזיקה, ראש המעבדה לאופטיקה קוונטית באוניברסיטת בר-אילן וחבר בוועדת ההיגוי לנושא מדע וטכנולוגיה קוונטית של ות”ת (הוועדה לתכנון ותקצוב של המועצה להשכלה גבוהה).
