פיזיקה למתחילים: זוגות פוטונים
כאשר פוטון חודר לגביש עם תכונות אופטיות מיוחדות, הוא "נשבר" לשני פוטונים, שסכום האנרגיה שלהם שווה לאנרגיית הפוטון ההתחלתי. תהליך זה, המכונה parametric down conversion, מעורר עניין רב הן מבחינה תיאורטית והן בזכות יישומיו האפשריים
מחקר שנערך במחלקה לפיזיקה של מערכות מורכבות במכון וייצמן, עסק בתכונותיו של אור שעבר תהליך המכונה parametric down conversion. בתהליך זה, פוטון בעל אנרגיה מוגדרת שנסמנה E0 (ולפיכך בעל אורך גל ותדירות ידועים) חודר לגביש בעל תכונות אופטיות מיוחדות. עקב האינטראקציה עם הגביש, מתרחש בתוכו תהליך של "שבירת" הפוטון לשניים - הפוטון מומר לזוג של פוטונים אחרים.
זוג הפוטונים הנפלט מתאפיין בסכום אנרגיות השווה לזה של הפוטון הנכנס, אך חלוקת האנרגיה ביניהם איננה ידועה; קיימות אפשרויות רבות לחלק את האנרגיה: ייתכנו שני פוטונים בעלי אנרגיה זהה, השווה למחצית אנרגיית הפוטון הנכנס, אך סביר יותר שייווצרו זוגות שבהם לבני הזוג אנרגיות שונות. תהיה חלוקת האנרגיה אשר תהיה, ידוע כי סכום האנרגיות (ובהתאם לכך - התדירויות) שווה ל-E0, אנרגיית הפוטון ההתחלתי. כמו כן ידוע כי בני הזוג נוצרים באותו זמן. לא בהכרח ידוע מהו מועד היווצרותם, אך ידוע כי הוא זהה לשני בני הזוג. קשר הדוק זה בין זוג הפוטונים הוא ליבת המחקר.
המחקר, שבו עסקו במהלך חמש השנים האחרונות פרופ' ירון זילברברג, פרופ' אשר פריזם, והדוקטורנטים ברק דיין ואבי פאר, התמקד בבדיקה ניסויית של תכונות האור הנפלט ובמציאת יישומים אפשריים לתכונות אלו.
קשר הדוק בין פוטונים
הקשר ההדוק בין זוגות הפוטונים הנפלטים מתקיים בין אם מדובר בפליטה של לא יותר מזוג בודד בכל רגע נתון, או בשטף של זוגות פוטונים רבים. הטיפול בזוגות בודדים הוא קוונטי, בעוד שלשטף חזק מספיק ניתן להתייחס כאל שדה קלאסי. כך או כך, תהליך של down conversion יוצר שני זרמי פוטונים, אשר "משלימים" זה את זה.
היבט אחד של המחקר התייחס להבדל בין מצב קוונטי - של זוגות בודדים, למצב קלאסי - של שטף גדול. לשם כך נאספו זוגות הפוטונים לתוך גביש אחר ובוצע תהליך שנקרא sum-frequency generation, תהליך הפוך ל- down conversion: זוגות הפוטונים "חוברו מחדש" על ידי האינטראקציה בגביש הנוסף, שאיחד את האנרגיות שלהם כך שנוצר פוטון בעל אנרגיה E0, כשל הפוטון המקורי.
המערכת כללה לפיכך: אלומה התחלתית באורך גל ידוע (532 ננומטר, אור ירוק) אשר נכנסה לגביש שבו התרחש תהליך ה-down conversion. האור שנפלט עבר מבעד מערך מנסרות ועדשות שמטרתו לסלק את שאריות האור הירוק מהמערכת ולשלוח את הזוגות אל הגביש הבא, שבו התרחש התהליך ההפוך והופקו פוטונים בעלי אורך הגל המקורי, ואלה נקלטו בגלאי הרגיש לתחום זה של אורכי גל. נבדק שטף הפוטונים המגיעים לגלאי עם אנרגיה E0, כפונקציה של שטף הזוגות, כלומר מספר הפוטונים הנכנסים לגביש ה"מאחד" ביחידת זמן.
מעבר מתלות ריבועית לתלות ליניארית
באופן קלאסי, ההסתברות ליצירת פוטון מאוחד אמורה להיות תלויה בריבוע השטף, מכיוון שההסתברות להיווצרות פוטון עם אנרגיה E0 תלויה בהסתברות ללכידת פוטון אחד (שהיא פרופורציונית לשטף), כפול ההסתברות ללכידת פוטון שני (גם היא פרופורציונית לשטף), ולפיכך ההסתברות ללכידת שני פוטונים פרופורציונית לשטף בריבוע. כך אכן קרה כאשר שטף הפוטונים היה חזק, כלומר קלאסי. עבור שטף חלש, לעומת זאת, נמצא כי ההסתברות היא ליניארית (עומדת ביחס ישר) לשטף: זוג הפוטונים מתנהג כאובייקט יחיד. אם הגיע אחד מבני הזוג, יימצא בוודאות גם השני.
לאור זאת, צריך אולי להסביר כיצד בשטף חזק מתחלפת התלות הליניארית בתלות ריבועית: הסיבה היא שכאשר נפלטים זוגות רבים בכל רגע נתון, מתאפשרים "חילופי זוגות" והפוטונים עשויים להתאחד עם פוטונים אחרים, שאינם בני הזוג המקוריים שלהם. לפיכך, כאשר העוצמה גבוהה, יכולים בני הזוג להיפרד ולמצוא בני זוג חלופיים, ולכן יש מספר גבוה יותר של צירופים (קומבינציות) אפשריים. במצב זה ההסתברות להיווצרות פוטון באנרגיה המקורית אכן תלויה בנפרד בהסתברות ללכידת כל אחד מבני הזוג, והסיכוי ללכידת זוג הופך להיות תלוי תלות ריבועית בעוצמה.
פרופ' ירון זילברברג: "חלק מהייחוד בניסוי הוא בכך שהוא עוסק באינטראקציה בין פוטונים בודדים. מדברים הרבה על פוטונים, אבל כמעט תמיד השדה האלקטרומגנטי של האור מתנהג בצורה לגמרי קלאסית. שאלה מעניינת היא איפה עובר הגבול: מתי לא ניתן להתייחס לאור כאל שדה קלאסי, וחייבים לדבר על פוטונים. רק בעוצמות אור חלשות מאוד דרוש מושג הפוטון הבודד, אך לא כל הניסויים שעוסקים בעוצמות נמוכות מהווים עדות לקיומו של פוטון בודד. העובדה שנצפה 'קליק' בגלאי לאו דווקא מהווה עדות ישירה לקיומם של פוטונים, אלא רק מעידה על קיומם של נושאי מטען בדידים - אלקטרונים - בגלאי... בניסוי הזה ניתן לראות בבירור את המעבר בין ההתנהגות הקלאסית להתנהגות של פוטונים בודדים. יש כאן מִתאם (קורלציה) בין בני הזוג, שבעוצמות נמוכות לא ניתן להתייחס אליה במושגים קלאסיים. התיאור המתאים כאן הוא אכן של פוטונים, ולא של שדות".
המעבר מתלות ריבועית לתלות ליניארית נצפה בניסוי זה לראשונה, אף כי קבוצות מחקר ברחבי העולם ידעו לצפות לו תיאורטית. הקושי הניסויי בעבודה עם פוטונים בודדים אילץ גם את החוקרים ממכון וייצמן לחזור על הניסוי מספר פעמים, בדרכים שונות, עד שהתקבלו תוצאות באיכות גבוהה.
הקושי מתחיל בעובדה כי ההסתברות לתהליכים כגון down-conversion וsum-frequency generation היא נמוכה מאוד: מדובר בפוטון אחד מבין 100,000,000 פוטונים . בנוסף, העבודה עם זוגות בודדים אינה קלה:
קשה למדוד
אבי פאר: " קשה למדוד זוגות בודדים של פוטונים: הם הולכים לאיבוד בתוך רעש הרקע. אנחנו הבנו שאם הזוגות המופקים בתהליך ה- down conversion הם בעלי טווח אנרגיות רחב, אפשר לקבל שטף גבוה מספיק של פוטונים, שמאפשר מדידה אמינה, ועדיין הזוגות לא "דורכים אחד על השני", כלומר, עדיין אפשר להתייחס אליהם כאל זוגות בודדים. זה מתאפשר משום שאם רוחב הפס האנרגטי של בני הזוג גדול יותר, הקורלציה בזמן טובה יותר, כפי שנובע מעקרון אי הוודאות. לכן חלון הזמן שבו פוטון "מזהה" את בן זוגו הוא קצר מאוד, בערך 100 פמטו-שניות (חלון זמן של כ-10 בחזקת -13 של שניה). זה אומר שגם אם יהיה זוג אחר בהפרש 100 פמטו-שניות ממנו, הוא לא "ידרוך" עליו. כך אפשר ליצור עד 10 בחזקת 13 זוגות נפרדים בשנייה. זה משהו שבהחלט אפשר למדוד, ובכל זאת הזוגות הם עדיין זוגות בודדים. כשנעשה SFG ונסתכל על האור היוצא כפונקציה של שטף הזוגות הנכנס, נקבל קשר ליניארי, ולא קשר ריבועי".
כדי לקבל תהליך שבו הפוטונים הנפלטים הם בעלי רוחב פס רחב, צריך לבחור גביש מתאים, אשר באינטראקציה עם קרן נכנסת בעלת תדירות מסוימת יפיק טווח רחב של אנרגיות. זה תלוי בתכונות האופטיות של הגביש, וספציפית, במקדם השבירה שלו עבור תדירויות אור שונות. גם הזווית שבה ניצב הגביש יכולה להשפיע, מכיוון שהגבישים הללו אינם איזוטרופיים. מציאת הקונפיגורציה האופטימלית היא עיקר העבודה:
"הניסוי עצמו הוא חלק נורא קטן. התוצאות נלקחו במשך שבוע. במעבדה היינו חודשיים, את הניסוי עשינו שלוש פעמים עד שקיבלנו תוצאות. אבל התארגנו לניסוי מבחינת חישובים, בחירת ציוד וקניית ציוד במשך שנתיים, אפילו יותר".
האור הנפלט בתהליך של down conversion יכול להיות מנוצל למגוון יישומים. אם מפרידים את בני הזוג זה מזה מקבלים שני שטפי אור, שכל אחד מהם אקראי למדי, אך קיים ביניהם קשר הדוק. זוהי שיטה המאפשרת ליצור רעש לבן, שהוא אקראי כשלעצמו, אך מלווה ברעש תאוֹם. ניתן לאפנן אחד מהם, ולהשתמש בשני כבמפתח. שיטה זו, של איפנון אות שאיננו בעל תדר מוגדר, שונה, למשל, מזו של שידורי רדיו: תחנת הרדיו מאפננת תדר אחד, ידוע היטב, ומשתמשי הרדיו יודעים באיזה תדר ("תחנה") לחפש את שידורי הרדיו המועדפים עליהם..
טכנולוגיה סלולרית
הגישה המוצגת כאן, הידועה כ-spread spectrum, ומשמשת בטכנולוגיית CDMA - code divided multiple access, המוכרת מתחום הטלפונים הסלולריים, מקודדת אות הפרושׂ במכוון על פני טווח תדרים רחב. השיטה מתבססת על מתן מפתחות שונים למשתמשים השונים, אשר יאפשרו למכשיריהם לזהות את השידור המיועד להם מתוך מה שנראה כרעש אקראי. שיטה זו מאפשרת למשתמשים רבים לקיים תקשורת בו-זמנית מבלי להפריע זה לזה. כמו כן, מעניקה השיטה אבטחת מידע ברמה גבוהה יותר.
את הרעש הלבן הנוצר בתהליך down conversion ניתן לפיכך לנצל לצורך תקשורת CDMA אופטית. האות והמפתח, המכסים טווח רחב, נוצרים בתהליך פיזיקלי אקראי. לכל אות יש מפתח המתאים אך ורק לו. ניתן לחלץ את השידור בתהליך SFG של האות והמפתח, אשר ייצור מחדש את הפוטונים ההתחלתיים, אך אלה לא ייפלטו כקרינה רציפה אלא בתבנית המתאימה לשדר המקודד. השיטה מציעה גם מידה של אבטחת מידע, מאחר שהרעש המאופנן עדיין נראה כמו רעש, ולכן קשה לדעת כי הוא מכיל שדר. אף כי השיטה מספקת יכולת להסתיר את האות (סיגנל) ברעש, היא אינה מספקת הצפנה אינהרנטית, מאחר שכל מי שיחזיק בידו את המפתח יוכל לבצע SFG ולחלץ את השדר.
שימוש אפשרי נוסף בזוגות הפוטונים הוא למדידה עדינה מאוד של מסלול אופטי. יצירה מחדש של הפוטון ההתחלתי בתהליך של SFG אפשרית רק אם שני בני הזוג מגיעים ביחד לגביש. לפיכך, ניתן להשתמש בזוג ככלי למדידת מסלול אופטי: שני בני הזוג נוצרים בו-זמנית, ונשלחים למסלולים שונים שבסופם הם מגיעים לגביש היוצר מהם את הפוטון המקורי, שאחריו מוצב גלאי הרגיש לפוטונים באנרגיה E0.
אם שני בני הזוג עוברים מסלולים שונים, ובסופם הם מתלכדים ויוצרים פוטון בעל אנרגיה E0, ניתן להסיק מכך כי המסלולים האופטיים שעברו הם זהים. אם קיים הפרש, ולו זעיר ביותר, במסלולים האופטיים, לא ייקלט פוטון בגלאי שבקצה המסלול. אם אורכו של אחד המסלולים ידוע, ניתן להשתמש בשיטה זו ליצירת מסלול נוסף באורך זהה.
לפנייה לכתב/ת 
