פיתוח בטכניון: חומרי-על למחשוב קוונטי

מחקר משותף לשתי מעבדות בטכניון, המכון למצב מוצק והפקולטה להנדסת מכונות הוליד תחום מדעי חדש: חומרי-על קוונטיים.

מחקר חדש שנערך בטכניון, מדגים לראשונה את האפשרות ליישם משטחי-על בתחום המידע הקוונטי והמחשוב הקוונטי (מחשב קוונטי הוא מכונה המעבדת נתונים, תוך שימוש ישיר בתכונות של מכניקת הקוונטים) וסולל דרך ליישומים רבים בתחום, ובהם הצפנה חסינה לגמרי מפריצה. מחקר זה פותח אפשרות לשיתופי פעולה בין-תחומיים ולפיתוח מערכות של מחשבים ושבבים קוונטיים - ופורסם אך השבוע בכתב העת המדעיScience.

לדברי הפרופסורים שגב וחסמן, "המחקר הנוכחי נולד מרעיון של שני סטודנטים שלנו לתואר שני – תומר סתיו וארקדי פאירמן. הם הגיעו אלינו עם רעיון חדשני ופורץ דרך שהוביל לכיוונים חדשים של מחקר ויישום, למשל מערכות של מידע קוונטי על שבב ושליטה בתכונות קוונטיות בצורות אשר הן לחלוטין בלתי אפשריות בחומרים רגילים. הצעירים האלה עשו עבודה נהדרת בלוח זמנים קצר. התחרינו מול קבוצות מחקר גדולות מאוד מכל העולם והצלחנו לנצח."

שני הסטודנטים, עדיין לא בני 30, הם חברים ותיקים שהשלימו במקביל תואר ראשון בטכניון - תומר בתוכנית המצוינים של הפקולטה לפיזיקה, וארקדי במגמת האופטיקה בפקולטה להנדסת מכונות. בתום התואר הראשון הם המשיכו לתואר שני במעבדותיהם של פרופ'-מחקר שגב ושל פרופ' חסמן, בהתאמה. במהלך לימודיהם לתואר השני, הגו וערכו את המחקר הנוכחי.

הדוקטורנטים דקלה אורן (מימין) ואלחנן מגיד, מצוות המחקר המשותף // צילום: ניצן זוהר, דוברות הטכניון

תחום מדעי חדש

חומרי על הם מבנים ננומטריים מהונדסים שאינם קיימים בטבע, ואחת הקטגוריות הייחודיות שלהם היא קבוצת משטחי העל. אלה מבנים מלאכותיים דקים מאוד, דו-ממדיים לצורך העניין, המיוצרים בטכנולוגיות חדשניות, ומטרתם לקיים אינטראקציות ייחודיות עם האור, באמצעות אנטנות ננומטריות אופטיות. במחקר הנוכחי פיתח אחד מעורכי המחקר, פרופסור ארז חסמן - טכנולוגיה שמאפשרת את בנייתם של מטא-משטחים מבודדים מדויקים מאוד עשויים סיליקון שקוף, ללא מתכות, שאינם בולעים את האור.

המחקר האופטי במשטחי-על עסק עד כה רק באור "רגיל" ממנורת שולחן או ממכשיר לייזר, כלומר באור קלאסי (גלים אלקטרו-מגנטיים). בעבודה הנוכחית הדגימו חוקרי הטכניון לראשונה בהיסטוריה שימוש במשטחי-על באופטיקה קוונטית (האור כזרם של חלקיקים קוונטיים זערוריים, הנקראים פוטונים) ובמידע קוונטי. החוקרים הדגימו שימוש במטא-משטחים ליצירת שזירה קוונטית - המרכיב החיוני ביותר בתקשורת קוונטית, במחשוב קוונטי, ובהצפנה קוונטית.

"במחקר הזה הבאנו את תחום המטא-חומרים לעולם המידע הקוונטי", אומר פרופ' שגב, ממייסדי מרכז הקוונטום למדע בטכניון. "אנו רותמים כאן לראשונה את התכונות הייחודיות של חומרי-על ליצירה של אור קוונטי ולשליטה בו. כעת נוכל להנדס את התכונות הקוונטיות של האור באמצעות תכנון, ייצור ושליטה בחומר שדרכו הוא עובר. למעשה, נולד כאן תחום מדעי חדש, שיאפשר מזעור משמעותי מאוד של מערכות מידע קוונטי ופיתוח מגוון של אפשרויות למניפולציה של האור הקוונטי בדרכים שחומרים רגילים אינם מאפשרים. אם בעבר יצרנו מערכות כאלה על שולחנות גדולים, כעת נוכל לבנות אותן על שבבים זעירים שבהם משולבים חומרי-על".