האם הטבע יודע לבנות מכשירים קוואנטים?

דה-קוהרנציה היא תופעה פיזיקלית שנמצאת בחזית המדע וקשורה להתנהגותם של גלים. הבנת האפקט המיוחד הזה תוכל לסייע לאדם לפתח מחשוב קוואנטי והצפנה משוכללת, אולם האם ייתכן שהטבע כבר מצא פתרונות לסוגיה?

כאשר אבן נזרקת לתוך אגם היא מעוררת גלים וגורמת לפני המים להתנדנד בצורה מחזורית. ואולם ככל שעובר הזמן הגלים קטנים ולבסוף נעלמים כליל, והאגם חוזר להיות שקט ורגוע. תופעה זאת נקראת דה-קוהרנציה, והיא נגרמת מכך שאנרגיית הגלים מתפזרת על פני דרגות החופש הרבות שבאגם, הופכת לחום, נבלעת והגלים שוככים.

 

לפי תורת הקוואנטים, חומר מתנהג אף הוא כמו גלים ולכן כאשר מולקולה בולעת אור פונקציית הגל של האלקטרונים מתחילה להתנדנד. ואולם לבסוף, בגלל דה-קוהרנציה, גלים אלו שוככים ונעלמים.

 

המאבק בדה-קוהרנציה נמצא בחזית המחקר הפיזיקלי היום, משום שדה-קהורנציה היא אחד הקשיים המרכזיים בפיתוח טכנולוגיות שמבוססות על אפקטים קוואנטיים כמו מחשבים קוואנטיים, הצפנה קוואנטית וטלפורטציה קוואנטית.

 

עוד בגליליאו: על רובוטים שהם מנהיגים

 אחד הגורמים החשובים שמשפיעים על דה-קוהרנציה היא טמפרטורה: ככל שזו גבוהה יותר כך הדה-קוהרנציה מהירה יותר, ולכן נהוג לחשוב שכדי להבחין באפקטים קוואנטיים צריך לבצע ניסויים בטמפרטורות נמוכות מאוד.

 

ואולם במחקר שהתפרסם לאחרונה בעיתון Nature מראים אליזבטה קוליני (Collini) ועמיתיה שייתכן שהטבע כבר התמודד ופתר בעיות הקשורות לדה-קוהרנציה קוואנטית, ושהוא עשה זאת בטמפרטורת החדר.

 

אצות קוונטיות

המחקר מתמקד בתהליך הפוטוסינתזה המתרחש באצות ובודק שני חלבונים המשמשים לפוטוסינתזה, באמצעות שיטה הקרויה Two-dimensional photon echo  spectroscopy (2DPE) .

 

בשיטה זו משתמשים בשני פולסים של לייזר שהאורך של כל אחד מהם הוא פֶמטוֹ-שניות בודדות (פמטו-שנייה = 10-15 שנייה). פולס הלייזר הראשון משמש לעירור המולקולה, ואילו פולס הלייזר השני משמש לניטור מצבה.

 

תגובת המולקולה נמדדת לאחר הפולס השני כפונקציה של אורך הגל של הפולס השני וכן של הזמן שבין שני הפולסים. כל עוד לא מתרחשת דה-קוהרנציה, כלומר כל עוד הגלים במולקולה לא שככו, צפויה תגובה מחזורית של המולקולה לפולס הלייזר השני כתלות בזמן שבין שני הפולסים.

 

הניסוי לא רק הראה תגובה מחזורית שכזו, אלא הראה שהמחזוריות נשמרת גם לאחר זמנים ארוכים מאוד (יחסית) – מעל 200 פמטו שניות.

 

ניסויים דומים לזה כבר נערכו בעבר, אולם הניסוי הנוכחי נערך בטמפרטורת החדר, ופירושו של דבר שקוהרנציה נשמרת גם בתנאים של טמפרטורת החדר. הטבע יודע לבנות מכשירים קוואנטיים!

 

מדענים משערים שהעברת אנרגיה בצורה קוהרנטית המבוססת על תורת הקוואנטים יעילה הרבה יותר מאשר בצורה לא קוהרנטית, ולכן ישנו יתרון אבולוציוני למערכות שיודעות להימנע מדה-קוהרנציה.

 

תהליך הפוטוסינתזה הוא תהליך מורכב מאוד שעדיין אינו מובן לחלוטין. המאמר ב-Nature מצביע על האפשרות שהעברת אנרגיה בצורה קוהרנטית משחקת תפקיד חשוב בתהליך זה, מכיוון שהיא מאפשרת לפוטוסינתזה להיות יעילה מאוד וכך יכולות האצות להפיק אנרגיה גם בתנאי תאורה חלשים מאוד.

 

הכתבה התפרסמה במגזין "גליליאו" מבית מוטו תקשורת. לכתבות נוספות של גליליאו באתר ifeel.