תמונה: Aalto University/Petja Hyttinen & Olli Hanhirova, ARKH Architects
מכירים את המצבים שאתם מחוברים למישהו טוב כל כך, שאם קורה לו משהו אתם יודעים על זה מיד? בלי מילים, בלי מראה עיניים – באורח כלשהו אתם גם יודעים שקרה שם משהו, ואפילו מושפעים מכך. נשמע כמו קשר מסתורי וחמקמק, משהו שלמדע שלנו קשה להתייחס ובוודאי לא לתאר או להסביר.
אבל כשמדובר בעולם החלקיקים הזעירים, אין הדבר כך. בפיזיקת הקוונטים לא רק שמדענים יודעים כיצד לייצר קשרים סמויים שכאלו, בשנים האחרונות הם גם יודעים לרתום אותם לקדמת הטכנולוגיה.
ידוע ומקובל שבמצבים מסוימים שני חלקיקים כמו אלקטרונים, פוטונים או אפילו אטומים שלמים, יכולים להיות תלויים כל כך זה בזה שאם משהו קורה לאחד מהם, אפילו אם השני מרוחק ממנו שנות אור, הוא עדיין יושפע מכך מידית.
הכוונה כאן היא לתופעה המכונה "שזירה קוונטית" – כלומר במצבים מסוימים, למשל כששני חלקיקים נוצרים באותו זמן ובאותו מקום, הם כה תלויים זה בזה שלא ניתן לתאר את המצבים שלהם בצורה אינדיבידואלית. הדרך היחידה לתאר את מצבם היא באמצעות פונקציה אחת.
כדי להבין את המשמעות של זה כדאי לזכור מאפיין חשוב נוסף של פיזיקת הקוונטים: כל עוד לא ניגע בחלקיק, המצב שלו לא באמת יהיה מוגדר. נוכל רק לתאר מהי ההסתברות שהוא יהיה במצב מסוים, אבל לא יותר מכך. נוכל, למשל, לתאר מהי ההסתברות שהחלקיק יימצא במקום זה או אחר, אבל רק ברגע שנמדוד את החלקיק יוגדר לו מיקום ספציפי.
אם נחזור לחלקיקים השזורים שלנו, שפונקציה אחת מתארת את מצבם המשולב, אזי ברגע שנערוך מדידה על אחד מהם, ובכך בעצם נקבע את מצבו, באותו רגע ייקבע גם מצבו של השני, בהתאם.
השפעה כזו במרחק שכזה, באפס זמן, נשמעת אולי מנוגדת לאינטואיציה. זה בסדר, גם אלברט איינשטיין התקשה לקבל את התופעה. במאמר שפרסם ב-1935, עם נתן רוזן ועם בוריס פודולסקי, הועלה ניסוי מחשבתי שנועד להראות שלא ייתכן מצב שכזה. השפעה כזו, שאיינשטיין תיאר כ"פעולת רפאים ממרחק", אינה יכולה לעבור באורח מידי. אבל ב-1981 אלן אספה, פיזיקאי צרפתי, הצליח להוכיח שבנושא הזה איינשטיין ועמיתיו טעו. כלומר, חלקיקים קוונטיים יכולים להיות כה תלויים אלו באלו, כך שפעולה על אחד מהם תשפיע מידית גם על האחרים, למרות המרחק.
נשמע מוזר, אבל בדומה לתופעות חריגות נוספות, התקבלה ההבנה שכיוון שמדובר בעולם החלקיקים הקוונטיים, הדברים שונים מאוד ממה שאנחנו מכירים מחיי היום-יום. בעולם הקוונטים מתרחשות מספר תופעות שאינן תואמות לאינטואיציות המקובלות.
בשנים האחרונות מצליחים במעבדות להדגים את "פעולת הרפאים ממרחק" במרחקים הולכים וגדלים. בשנות השבעים של המאה הקודמת הניסויים הראשונים הדגימו את התופעה במרחק של מיקרונים (מיליוניות המטר); ב-2007 זה כבר הודגם על מרחק של מטר וב-2017 צוות סיני הדגים את התופעה על פוטונים שהיו מרוחקים 1,200 ק"מ אלו מאלו (יוני 2017, Science).
מנקודת מבט טכנולוגית, לשזירה הקוונטית תפקיד מרכזי במחשבים הקוונטים. המעבד הקוונטי מבוסס על מערכת חלקיקים השזורים זה לזה – "קיוביטים" – ורמת היעילות שלו מוכפלת עם כל חלקיק נוסף שמצטרף לשזירה הזו. נכון לעכשיו בליבם של המחשבים הקוונטיים המובילים משולבים סדר גודל של כ-50 קיוביטים וגם זה הולך וגדל במהירות.
העניין המפתיע הוא שבמחקר שפורסם לאחרונה (25 באפריל, Nature), הדגימו חוקרים את השזירה הקוונטית גם במערכת שכלל אינה קוונטית – הם הדגימו אותה על גופים המורכבים מטריליון אטומים. בניסוי שנערך בפינלנד, צמד משטחי אלומיניום, כל אחד בגודל של 20 מיליוניות המטר, הדהד בקצב מתואם ומצב השזירה ביניהם החזיק מעמד אפילו במשך כחצי שעה.
אמנם 20 מיליוניות המטר הוא עדיין גודל קטן למדי, אבל זה גודל שהולך ומתקרב לגדלים המופיעים בעולם המאקרוסקופי המוכר לנו.
האם זה אומר שהתופעה המוזרה של "שזירה קוונטית", שעד עתה ייחסנו רק לסדרי גודל זעירים, פועלת ומשפיעה גם בעולם המאקרוסקופי, היום-יומי שלנו?