דרך חדשה ליצירת פוטונים שזורים

חוקרים מהטכניון ומאוניברסיטת תל אביב פיתחו שיטה חדשנית להנדס שזירה קוונטית בגביש, תוך שימוש בכלים של למידה חישובית

כתב העת Optica מציג דרך חדשה ליצירת פוטונים שזורים – שיתוף פעולה בין חוקרים מהטכניון ומאוניברסיטת תל אביב. אחת התגליות הראשונות של הפיזיקה הקוונטית היא העובדה שהאור עשוי מחלקיקים הקרויים פוטונים. מרבית אלומות האור שאנו רואים בחיי היומיום מכילות כמות פוטונים עצומה, אולם יש יישומים מעניינים המבוססים דווקא על אלומות אור חלשות. חלשות מאוד אפילו – אלומה המכילה פוטון יחיד בכל פולס של אור.

תרשים מדעי: כתב העת Optica מציג דרך חדשה לתכנון מערכת אופטית לקבלת שזירה פוטונית רצוייה – שיתוף פעולה בין חוקרים מהטכניון ומאוניברסיטת תל אביב. (קרדיט SimplySci Animations)

תרשים מדעי: כתב העת Optica מציג דרך חדשה לתכנון מערכת אופטית לקבלת שזירה פוטונית רצוייה – שיתוף פעולה בין חוקרים מהטכניון ומאוניברסיטת תל אביב.
(קרדיט SimplySci Animations)

תקשורת קוונטית, לדוגמה, מבוססת על העברת מידע באמצעות פוטונים בודדים, כאשר המידע מקודד באמצעות תכונה מסוימת של האור. תכונה כזו יכולה להיות צבע האור; פוטון של אור ירוק מייצג את הספרה 0 ופוטון של אור אדום מייצג את הספרה 1. תכונה אפשרית אחרת היא הצורה המרחבית של הפוטון; פוטון שצורתו המרחבית עיגול מייצג 0, פוטון שצורתו טבעת מייצג 1. בשני המקרים למערכת הקוונטית יש שני מצבים אפשריים.

לעומת תקשורת סטנדרטית, המבוססת על פולסי אור שבכל אחד מהם יש מספר פוטונים עצום, תקשורת קוונטית יכולה להבטיח חסינות בפני ציתות. פרוטוקולים מתקדמים יותר של תקשורת קוונטית משתמשים בשזירה (entanglement) בין אלומות אור.

שזירה קוונטית היא תופעה שבה המצבים הקוונטיים של שני עצמים או יותר אינם אפשריים לתיאור כמצבים בלתי תלויים של כל אחד מהעצמים אלא רק זה ביחס לזה; כלומר, ברגע שנערכת מדידה על אחד העצמים השזורים היא משתקפת באופן מיידי בעצם השני, אפילו במצב בו העצמים רחוקים זה מזה מרחק  רב. דוגמה לכך היא שתי אלומות אור, שבכל אחת מהן פוטון בודד, אחד מהם בצבע ירוק והשני בצבע אדום. איננו יודעים מהו הצבע בכל אלומה, אולם אם נערוך מדידה ונגלה שבאלומה הראשונה הצבע הוא אדום, נדע שבאלומה השנייה הצבע הוא ירוק.

כיצד אפשר לייצר אלומות אור של פוטונים בודדים או פוטונים שזורים? אחת השיטות הנפוצות היא תהליך בשם "המרה ספונטנית פרמטרית לתדרים נמוכים" או באנגלית Spontaneous parametric down conversion – SPDC. שיטה זו מבוססת על שיגור אלומת אור של לייזר דרך גביש אופטי לא ליניארי. באלומת הלייזר יש הרבה מאוד פוטונים, אבל מדי פעם, באופן ספונטני, אחד מהפוטונים יתפרק בתוך הגביש הלא ליניארי וייצור שני פוטונים חדשים. היות ושני הפוטונים החדשים 'נולדו' באותו זמן, וסכום האנרגיה שלהם שווה לאנרגיה של הפוטון המקורי של הלייזר, אפשר להשתמש בהם ליצירה של אלומות אור שזורות.

כדי לרתום את תהליך SPDC ליישומי תקשורת קוונטית למשל יש ליצור תנאים שיובילו להיווצרות אותם צמדי פוטונים ייחודיים – פוטון אחד ירוק ואחד אדום, או אחד טבעתי ואחד בצורת עיגול. הבעיה היא שבתהליך SPDC רגיל נוצרים המון זוגות פוטונים שרובם אינם מקיימים את התכונות הרצויות האלה, והיכולת "להנדס" את התהליך כדי לאפשר יצירת פוטונים בעלי התכונות המרחביות הרצויות מוגבלת ביותר.

חוקרים מהטכניון ואוניברסיטת תל אביב מציגים פתרון חדש ומקורי לבעיה זו, המבוסס על כלים של למידה חישובית, במאמר שפורסם לאחרונה ב-Optica, מגזין הדגל של האגודה האופטית. הרעיון לפתרון זה עלה במפגש חברתי של חוקרים מקבוצות מחקר שונות: קבוצתו של פרופסור אלכס ברונשטיין מהפקולטה למדעי המחשב ע"ש טאוב בטכניון, מומחה בלמידה חישובית ובניתוח מידע, וקבוצתו של פרופסור עדי אריה (מופקד הקתדרה ע"ש מרקו ולוסי שאול) מאוניברסיטת תל אביב, המתמחה במחקר תיאורטי ויישומי בתחום האופטיקה הלא לינארית ובפרט באופטיקה קוונטית. במחקר שותפים, אייל רוזנברג בעבר סטודנט לתואר שני בהנחיית פרופ' אריה וכיום דוקטורנט בקבוצת המחקר של פרופ' ברונשטיין, וחברי הקבוצה של פרופ' אריה – אביב קרניאלי, אופיר ישרים, ד״ר סיוון טרכטנברג מילס (כיום פוסט-דוקטורנטית ב-MIT) וג׳וש פולי-קומר. לפרויקט הצטרף מומחה חיצוני מחברת "גוגל" – ד"ר דניאל פרידמן, חוקר מנוסה מתחום הלמידה החישובית, שכבר עבד עם רוזנברג ועם פרופ' ברונשטיין בפרויקטים אחרים. ד"ר פרידמן כעת הוא ראש קבוצת המחקר ב Verily – Google Life Science.

בשלב ראשון פיתחו החוקרים מודל נומרי המאפשר לחזות בצורה מדויקת את המדד הסטטיסטי המעריך את הקורלציות בין שני הפוטונים הנוצרים ב-SPDC עבור מערכת אופטית נתונה, כלומר עבור מאפייני אלומת הלייזר והגביש הלא ליניארי. מודל זה אומת על ידי השוואתו לסדרה של תוצאות ניסויים שפורסמו בעבר.

בשלב השני שימשו נתוני הגביש והלייזר כפרמטרים שעליהם אפשר לבצע למידה והוגדרה פונקציית מחיר – פונקציה המייצגת את המרחק בין התוצאה המתקבלת בהרצה של המודל הנומרי לבין התוצאה שאליה המתכנן מעוניין להגיע. כשהופעל תהליך הלמידה הוא הניב את תכונות הגביש הלא ליניארי ואת צורת אלומת הלייזר שיפיקו תוצאה קרובה ככל האפשר למצב הקוונטי הרצוי.

השיטה שפורסמה במאמר התמקדה בשזירה המתבטאת בצורה המרחבית של הפוטונים (עיגול לעומת טבעת), אבל אפשר ליישמה גם לשזירה הקשורה בצבע הפוטון או בקיטוב שלו. החוקרים מוסיפים כי מלבד היישום בגבישים לא ליניאריים אפשר ליישם את השיטה במערכות אחרות כגון סיבים אופטיים ומוליכי גלים לא לינאריים. לדברי רוזנברג, "העבודה שלנו, יחד עם הקוד המשלים שלה (https://github.com/EyalRozenberg1/SPDCinv), יכולה לתרום להתקדמות ולתגליות מרגשות נוספות במערכות קוונטיות וקלאסיות אחרות. החלטנו לפרסם את האלגוריתם כולו כקוד פתוח, כדי לאפשר לקבוצות מחקר נוספות ברחבי העולם להשתמש בכלים שפיתחנו."

למאמר ב-Optica לחצו כאן