פרס נובל בפיזיקה יוענק השנה לשלושה חוקרים מארצות הברית על גילוי תופעת המינהור הקוונטי ברמה המקרוסקופית. הפרס יחולק בין שלושה חוקרים מאוניברסיטת קליפורניה בסנטה ברברה: ג’ון קלרק (Clarke), מישל דבורה (Devoret) וג’ון מרטיניס (Martinis), על עבודות שהחלו לפני כארבעים שנה.
בניסויים שעשו ב-1984 ו-1985 הראו שלושת החוקרים כי במעגל שהורכב ממוליכי על וביניהם חומר מבודד, חלקיקים שנעו בו התנהגו כמו חלקיק אחד גדול. זו הייתה ההדגמה הראשונה שמערכת שבה פועלים חלקיקים גדולים, יכולה להתנהג בתנאים מסוימים כמו מערכת קוונטית, ולקיים תופעות כמו מנהור קוונטי, שבה חלקיקים מתנהגים כמו גל ועוברים דרך מחסום פיזי. הגילוי סלל את הדרך לפיתוח וייצור של מערכות הצפנה, חיישנים ובימינו גם מחשבים קוונטיים.
הכרזה על הזוכים בפרס נובל לפיזיקה
(צילום: רויטרס)
עוד כתבות באתר מכון דוידסון לחינוך מדעי:
פרס נובל ברפואה 2025: סבילות חיסונית היקפית
הזרועות הרב-שימושיות של התמנון
לטוס בכוח המחשבה
שאלה של גודל
את הפיזיקה המוכרת לנו כיום נוהגים לחלק לשתי תיאוריות מרכזיות, שנבדלות מאוד באופי התופעות שהן מתארות. הפיזיקה הקלאסית עוסקת בהתנהגות של עצמים גדולים, כגון כדורים, לוויינים ואפילו כוכבים. את תנועתם של אלה אפשר לתאר באמצעות שלושת חוקי התנועה של ניוטון, העומדים ביסוד המכניקה הקלאסית. לעומת זאת, בקנה המידה הזעיר, בעולמם של החלקיקים התת-אטומיים, פועלים החוקים של מכניקת הקוונטים ונגזרותיה. זהו עולם משונה ולא אינטואיטיבי, שבו החלקיקים מתנהגים לפעמים כמו גלים, מה שמאפשר תופעות כמו התאבכות, מנהור ועקיפה.
הפרס השנה עוסק בחקר המנהור, ובמתיחת הגבולות של הפיזיקה הקוונטית גם לעצמים גדולים הרבה יותר, כאלה שאפשר לאחוז בכף היד או לראות בעין אדם. כדי להבין מהו מנהור קוונטי (quantum tunnelling) אפשר לחזור אל סדרת הטלוויזיה הוותיקה “טירונות”. שם הטירון כבד המשקל, המכונה “גוליבר” אינו מצליח לעבור מעל קיר במסלול המכשולים. לאחר שנכשל בכל נסיונות הטיפוס, לקח גוליבר פטיש כבד, חצב חור בקיר ועבר לצד השני, בדרך שמפקדו הגדיר “מקורית אבל משכנעת”.
בעולם של החלקיקים הקטנים, העולם הקוונטי, הם יכולים להתנהג במידה מסוימת כמו גוליבר. כך הדבר כאשר מדובר באלקטרונים שניצבים מול מחסום – במקרה הזה כוח חשמלי שמקורו בגרעין האטום ומונע בעדו להימלט לחלל החופשי. לכאורה אין לאלקטרון שום סיכוי לעבור את המחסום ולעזוב את האטום, מפני שהאנרגיה שלו נמוכה מזו הדרושה כדי לגבור על הכוח החשמלי. אבל בגלל אופיו הקוונטי-הסתברותי הוא מצליח לעבור חלקית דרך המחסום, כך שמעט מן המסה שלו נמלטת החוצה מהאטום. רוב המסה של האלקטרון עדיין נעצרת בקיר, אך חלקים מסוימים ממנו מטיילים להם בעולם שמעבר למחסום.
אבל אם יש הבדל כל כך משמעותי בין הפיזיקה הקלאסית לקוונטית, ובין המקרוסקופי למיקרוסקופי, איפה עובר הגבול ביניהן? מתי אוסף של חלקיקים קוונטיים הופך לכדור המציית לחוקי ניוטון? השאלות הללו הזו כרוכות בעבותות בשאלה היכן האנרגיה של מערכת הופכת מבדידה לרציפה. אנרגיה בעולם המקרוסקופי היא רציפה: כאשר אנו מקפיצים כדור או רצים ברחוב, בעקרון אין מגבלה על האנרגיה שאנחנו יכולים לשייך למערכת בכל רגע נתון, מלבד מגבלות הקשורות במהירות האור: כדור שאנו מגלגלים יכול לקבל אנרגיה של 100 ג’ול, 50 ג’ול, 2 ג’ול אבל גם חצי ג’ול או 0.000027 ג’ול, או כל מספר ממשי אחר. מכניקת הקוונטים נובעת מהתפיסה שמערכת לא יכולה לקבל כל כמות אנרגיה שהיא, אלא רק מנות בדידות של אנרגיה, או קוונטים, שאי אפשר לחלק אותן. אלקטרון הקשור לאטום יכול להיות רק בעל אנרגיות מסוימות, ואנרגיות אחרות אינן באות בחשבון. זאת בדומה לגיטרה שיש בה מיתרים קשורים בשני הצדדים וביכולתם להשמיע רק צלילים ספציפיים.
4 צפייה בגלריה
בפיזיקה הקלאסית, כדור שנזרק על מחסום חוזר לאחור (משמאל). בפיזיקת הקוונטים, חלקיק יכול לעבור חלקית דרך המחסום, ולהופיע מצידו השני (מימין) | ©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
פאזה בטבעת
ג’ון קלרק נולד בבריטניה ב-1942, וב-1968 קיבל תואר דוקטור לפיזיקה באוניברסיטת קיימברידג’. בהמשך מונה לחוקר באוניברסיטת קליפורניה בברקלי. מישל דבורה נולד בצרפת, וב-1982 השלים דוקטורט בפיזיקה באוניברסיטת פריס-סוד, והגיע לברקלי להשתלמות פוסט-דוקטורט אצל קלרק. ג’ון מרטיניס, שנולד בארצות הברית ב-1958, היה בתקופה סטודנט לדוקטורט אצל קלרק, והעבודה שזיכתה אותו בפרס נובל נעשה במסגרת מחקר הדוקטורט שלו.
בסדרת ניסויים שעשו שלושתם ב-1984 ו-1985, הם הרכיבו מעגל אלקטרוני שבנו ממוליכי-על, רכיבים שבכוחם להוליך זרם חשמלי ללא התנגדות. מוליכים אלה נכנסים לפעולה רק בטמפרטורות נמוכות ביותר. הרכיבים במעגל הופרדו בשכבה דקה של חומר מבודד, התקן שידוע בתור צומת ג’וזפסון (Josephson) – שזכה להוקרה בפרס נובל בפיזיקה בשנת 1973.
המערכת הוכנה במצב קלאסי, כלומר הייתה יכולה לקבל כל אנרגיה שתרצה. אבל מרגע שהחל הניסוי, החלקיקים נושאי המטען שזרמו במעגל דרך צומת ג’וזפסון הציגו התנהגות מיוחדת במינה: הם התנהגו כמו חלקיק אחד ויחיד ש”ממלא” את כל המעגל. התופעה המפתיעה הזו מוסברת באמצעות מכניקת הקוונטים, וידועה בתור “חלקיק בטבעת”. במקרה הזה מדובר יותר ב”פאזה בטבעת”. על כל פנים, הייתה זו הפעם הראשונה שבה מערכת מַקרוסקופית הציגה התנהגות קוונטית גרידא.
מדידת ההתנהגות הזו של החלקיקים התאפשר בזכות תופעה בשם “זוגות קופר” של צמדי אלקטרונים הנעים יחד משני עבריה של הפרדה פיזית. הפרש הפאזה, כלומר הזווית בין האלקטרונים בזוגות כאלה, יוצר זרם חשמלי שאפשר למדוד, וכך לגלות שהמנהור מתקיים גם ברמה המַקרוסקופית, של חלקיקים גדולים.
4 צפייה בגלריה
החלקיקים נושאי המטען שזרמו במעגל דרך צומת ג'וזפסון הציגו התנהגות מיוחדת במינה: הם התנהגו כמו חלקיק אחד ויחיד ש"ממלא" את כל המעגל. בתמונה: אלקטרונים במוליך רגיל (למעלה), אלקטרונים במוליך על (באמצע), ואלקטרונים מתנהגים כאילו הם חלקיק גדול אחד (למטה) | ©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
הצפנה ומחשבים קוונטיים
בשנים שחלפו מאז, נוצרו בתעשיית השבבים הזדמנויות חדשות לעיצוב של התקנים קוונטים, מערכות להצפנה קוונטית, חיישנים ובימינו גם מחשבים קוונטיים – שחלק מהם לא היו מתאפשרים לולא הגילוי של מרטיניס, דבורה וקלרק. כך למשל, חיישנים קוונטיים שנועדו למדידת שדה מגנטי ומבוססים על מדידת פאזה במעגלים מוליכי-על, הם רגישים בהרבה בהשוואה לחיישנים “קלאסיים”. בנסוף, יכולת השליטה המקרוסקופית במצבים הקוונטיים מאפשרת יישום של פרוטוקולי הצפנה, שבהם מידע שמועבר במצב סופרפוזיציה, כלומר, המערכת מצויה בכמה מצבים בו זמנית עד שמודדים אותה, או במצבים שזורים, כאשר מספר חלקיקים קשורים זה לזה באופן שמצבו של חלקיק אחד משפיע מיד על מצבו של חלקיק אחר.
האפשרות שהם פיתחו לשליטה ובקרה במצבה הקוונטי של המערכת הובילה לסדרת ניסויי המשך שביצע מרטיניס, ובהם הראה כי המעגל האלקטרוני שפיתח עם עמיתיו הוא בבחינת “אטום מלאכותי” מקרוסקופי. האטום המלאכותי הזה מחקה את התכונות של אטום אמיתי, מערכת קוונטית עם רמות אנרגיה בדידות, בדיוק מה שנדרש עבור בנייתו של מחשב קוונטי. מחקריו של מרטיניס עוסקים מאז בדיוק בכך: השמשה של התקני ג’וזפסון לצורך בניית מחשב קוונטי. ב-2004 עבר לאוניברסיטת קליפורניה בסנטה ברברה ועשור אחר כך הצטרף לגוגל, ששאפה לבנות מחשב קוונטי יישומי. ב-2019 פרסם עם צוותו מחקר שטען לעליונות קוונטית – כלומר יתרון מובהק של המחשב הקוונטי על פני זה הקלאסי, אבל טענתם הופרכה בהמשך.
נכון להיום, על אף שמחשבים קוונטיים כבר קיימים ופועלים, ואף מסוגלים לבצע חישובים מורכבים, הם סובלים משגיאות רבות ואינם מסוגלים לעקוף בביצועיהם את המחשבים ה”קלאסיים”, כמו אלה שכולנו משתמשים בהם, בבית ובעבודה, וגם מחזיקים בכף היד. חלק ניכר מהמחקר הנוכחי בעולם המחשוב הקוונטי, באקדמיה ובתעשייה, מוקדש לתיקון השגיאות הללו ושיפור המחשבים הקוונטיים.
קלרק, כיום בן 83, הוא פרופסור בגמלאות (אמריטוס) אך עדיין חוקר פעיל באוניברסיטת קליפורניה בברקלי. ב-2004 הוענקה לו מדליית יוז מטעם החברה המלכותית הבריטית על פיתוח חיישנים המבוססים על תופעת העל-מוליכות. מחקרו העכשווי עוסק בין היתר ביישום של התקנים מוליכי-על לצורך חישה אפשרית של חלקיק היפותטי בשם אקסיון, שאם הוא אכן קיים, עשוי להוות מרכיב עיקרי בחומר האפל.
מישל דבורה נשאר בארצות הברית וכיום הוא פרופסור באוניברסיטת ייל ובאוניברסיטת סנטה ברברה בקליפורניה. מחקרו מתמקד בטכניקות לתיקון שגיאות במחשבים קוונטים, ובדרכים להבטיח שהחישובים בהם יהיו אמינים, על אף השגיאות בטכנולוגיות הקיימות.
שבוע של הכרזות והזוכים בשנים קודמות
בשנה שעברה עסק הפרס בבינה מלאכותית, וחולק בין ג’ון ג’וזף הופפילד (Hopfield) מאוניברסיטת פרינסטון וג’פרי אוורסט הינטון (Hinton) מאוניברסיטת טורונטו על פיתוח כלי חישוב המדמים את פעילותה של מערכת העצבים, ומשמשים בסיס למערכות הבינה המלאכותית המודרניות.
בשנת 2023 הוענק הפרס לשלושה מהחוקרים שתרמו לפיתוח שיטות לייצור הבזקי אור קצרים במיוחד, מיליארדית של מיליארדית השנייה: פייר אגוסטיני (Agostini) מאוניברסיטת אוהיו בארצות הברית, פרנץ קראוס (Krausz) ממכון מקס פלנק לפיזיקה במינכן, גרמניה, ואן ל’הוליייר (L’Huillier) מאוניברסיטת לונד בשוודיה.
ב-2022 קיבלו את הפרס בפיזיקה שלושה מהחוקרים שהדגימו כי השזירה הקוונטית מתקיימת במציאות: אלן אספה (Aspect), ג’ון קלאוזר (Clauser) ואנטון ציילינגר (Zeilinger).
שבוע של פרסים
אתמול הוכרז כי פרס נובל ברפואה יוענק השנה למרי ברונקוב (Brunkow), פרד רמסדל (Ramsdell) ושימון סקגוצ’י (Sakaguchi) על גילוי המנגנון שמונע מתאי T לתקוף את הגוף, כפי שקורה במחלות אוטואימוניות.
מחר (רביעי) תכריז האקדמיה השבדית על חתני פרס נובל בכימיה. ביום חמישי תהיה ההכרזה בספרות, וביום שישי יוכרזו באוסלו חתני פרס נובל לשלום. שבוע הנובל יינעל ביום שני הבא, עם ההכרזה על מקבלי הפרס בכלכלה על שם אלפרד נובל.
יהונתן ברקהיים, מכון דוידסון לחינוך מדעי, הזרוע החינוכית של מכון ויצמן למדע
