פרס נובל בפיסיקה לשלושה חוקרים בתחום הקוואנטים - מה הם גילו ואיך זה מקדם את המהפכה?

ועדת פרס נובל השוודית הכריזה על זוכי פרס נובל לפיזיקה לשנת 2025: ג'ון קלרק (John Clarke) מאוניברסיטת קליפורניה בברקלי, מישל דבורה (Michel H. Devoret) מאוניברסיטת ייל, וג'ון מרטיניס (John M. Martinis) מאוניברסיטת קליפורניה בסנטה ברברה. הזכייה מוענקת להם על "הגילוי של מנהור מכני קוונטי מקרוסקופי וכימות אנרגיה במעגל חשמלי", כפי שהוגדר בהודעת הוועדה הרשמית.

עבודתם הפורצת דרך הדגימה כיצד תופעות קוונטיות, כמו מנהור קוונטי וסופרפוזיציה, מתקיימות לא רק בסקאלה האטומית אלא גם במערכות חשמליות גדולות יותר. צעד זה שינה את הגבול בין הפיזיקה הקלאסית לקוונטית, והניח את התשתית למהפכה במחשוב הקוונטי, חיישנים מדויקים והצפנה בלתי ניתנת לפריצה.

ועם כל הכבוד לחגיגות האקדמיות, ננסה להבין איך עבודתם של החוקרים החשובים האלה אינה רק בגבולות התיאוריה אלא היא סמל להתקדמות מדעית שמתרגמת תיאוריות מופשטות לטכנולוגיות שמעצבות את העולם. ננסה להבין את עבודתו של כל אחד מהזוכים, נדגיש את תרומתו הייחודית, ונראה כיצד השלושה יחדיו יצרו תשתית שכבר משפיעה על תעשיות שלמות.

מהו מנהור קוונטי, ולמה הוא חשוב כל כך?

לפני הקוואנטים עצמם, בואו נסתכל רגע על הבסיס. בפיזיקה הקלאסית, חוקי ניוטון קובעים שכדור שמושלך לעבר קיר יתנגש בו ויחזור. הכדור לא ישבור את הקיר ולא "יחצה" מחסום אנרגטי אם אין לו את האנרגיה הנדרשת לכך. אבל במכניקת הקוונטים, שמתארת התנהגות חלקיקים זעירים כמו אלקטרונים או פוטונים, הכללים משתנים.

• קוואנטום מזנקת ב-25% - בוול-סטריט צופים אפסייד של 67%
• מניות הקוונטים מזנקות: ריגטי דיווחה על מכירות ראשונות ללקוחות עסקיים
• המלצת המערכת: כל הכותרות 24/7

חלקיק יכול להיות במצב של גל-חלקיק, מה שמאפשר לו "למנהר", כלומר, לעבור דרך מחסום אנרגטי כאילו הוא לא קיים, בסיכוי קטן אך ממשי. התופעה אמנם נוגדת את ההגיון הפשוט, אבל היא נחקרה לראשונה בשנות ה-20 של המאה ה-20 על ידי מדענים כמו גאורג גמפרט ורונלד דה-בר, ובאמצעותה מסבירים תהליכים טבעיים כמו שרשרת הריאקציות בגרעין השמש או זרימת זרם חשמלי במוליכים.

השאלה הגדולה היתה האם תופעת המנהור הקוונטי שמתרחשת בעולם הזעיר של חלקיקים תת-אטומיים, יכולה להתקיים גם במכשירים שאנו בונים, כמו למשל מעגלים חשמליים? התשובה התגלתה כחיובית וסללה את הדרך למחשבים הקוואנטים. זוכי הנובל הוכיחו את התופעה באמצעות מעגלי סופר-מוליכים, כמו צומת ג'וזפסון (Josephson Junction), המחבר שני סופר-מוליכים דרך שכבה דקה של מבודד. באופן מפתיע, זוגות מיוחדים של אלקטרונים, הנקראים זוגות קופר, מצליחים “למנהר” דרך המבודד ולנוע ללא התנגדות כלל. 

וכך, תופעה זו אינה רק רעיון תיאורטי, אלא כזו שניתן למדוד אותה ולשלוט בה, והיא משמשת בסיס למגוון טכנולוגיות מתקדמות: לבניית קיוביטים, יחידות המידע של מחשבים קוונטיים שיכולים להיות ב-0 וב-1 בו-זמנית; ליצירת חיישנים רגישים במיוחד שמסוגלים למדוד שדות מגנטיים חלשים מאוד; ולפיתוח מערכות תקשורת קוונטית מאובטחות, המבוססות על שזירה קוונטית שמונעת כל אפשרות להאזנה.

• OpenAI משיקה את Sora 2 ומאיימת על הוליווד; האם כל אחד יכול להיות במאי?
• במקום שאתם תחפשו באינטרנט - הוא יחפש אתכם: העידן הפרואקטיבי של OpenAI
• תוכן שיווקי צברתם הון? מה נכון לעשות איתו?
• OpenAI משיקה אפליקציית וידאו חברתית

ג'ון קלרק: חלוץ ה-SQUIDs והגילוי של מנהור מקרוסקופי

ג'ון קלרק, בן 84, הוא פרופסור אמריטוס לפיזיקה באוניברסיטת קליפורניה בברקלי, שם הוא מלמד ומחקר מאז 1969. נולד באנגליה בשנת 1942, קלרק למד באוניברסיטת קיימברידג', שם השלים את הדוקטורט שלו במעבדת קוונדיש בשנות ה-60, מקום שהיה מרכז לפיתוחים פורצי דרך בפיזיקה הסולידית.

עבודת הדוקטורט שלו התמקדה בעיקרון הפעולה של צומת סופר-מוליך-נורמלי-סופר-מוליך (SNS Junction), שהדגים זרימה על-מוליכה דרך חומר לא מוליך, תובנה ראשונית שפתחה את דרכו למחקר במנהור קוונטי.

מחקריו המרכזיים של קלרק התמקדו בפיתוח, הגבלות הרעש והיישומים של מכשירי Superconducting Quantum Interference Devices (SQUIDs) – מכשירים סופר-מוליכים שמבוססים על צמתי ג'וזפסון ומזהים שדות מגנטיים זעירים ביותר.

בשנות ה-70 וה-80, קלרק הוביל ניסויים שהדגימו מנהור קוונטי מיקרוסקופי, כלומר, מנהור של זרמי סופר-מוליכות גדולים דרך מחסומים אנרגטיים במעגלים חשמליים. במאמר פורץ דרך משנת 1985, יחד עם זוכי הנובל הנוספים, מישל דבורה וג'ון מרטיניס, הוא הוכיח מדידות של מנהור מקרוסקופי ממצב אפס-מתח בצומת ג'וזפסון מוטה זרם.

הניסוי כלל קירור המעגל לטמפרטורות נמוכות מאוד (קרוב לאפס קלווין) כדי להפחית רעש תרמי, והראה כיצד זוגות קופר "קופצים" דרך מחסום ללא אנרגיה מספקת, תופעה ששברה את האינטואיציה הקלאסית.

התובנות המרכזיות של קלרק היו חשובות. ראשית, הפיזיקה הקוונטית אינה מוגבלת לסקאלה האטומית; היא יכולה להתגלות במערכות גדולות אם הן מבודדות מרעש חיצוני. שנית, הרעש במעגלים כאלה (תנודות קטנות ובלתי צפויות בזרם או במתח) כמו רעש 1/f (רעש ורוד) - נובע ממקורות קוונטיים, מה שמאפשר שליטה טובה יותר במערכות.

בשנות ה־80, קלרק חקר את הרעש שמופיע במכשירים קוונטיים כמו צמתי ג’וזפסון ו־SQUIDs (חיישנים רגישים במיוחד לשדות מגנטיים). הוא בדק את הרעש בתדרים נמוכים, בסביבות 30 עד 100 קילו־הרץ, וגילה איך ניתן למדוד ולצמצם אותו כדי לשפר את הדיוק של המכשירים. בזכות המחקר הזה, השתנתה ההבנה לגבי הגבול שבין העולם הקלאסי לעולם הקוונטי: במקום לחשוב שיש קו חד וברור שבו "מסתיימת" הפיזיקה הרגילה ומתחילה הקוונטית (בערך בקנה מידה של מיליארדית המטר), קלרק הראה שהגבול הזה גמיש, ואם מצליחים לבודד מערכת היטב מרעש והשפעות חיצוניות, אפשר לגרום לתופעות קוונטיות להופיע גם במערכות גדולות הרבה יותר.

הערך שהוא מביא לעולם המדעי עצום. SQUIDs שפיתח קלרק הפכו לכלי סטנדרטי במעבדות פיזיקה, רפואה וביטחון. הם משמשים כחיישנים מגנטיים רגישים פי מיליון ממכשירים קונבנציונליים, עם יישומים כמו הדמיה מוחית (MEG - Magnetoencephalography) שמאפשרת זיהוי פעילות מוחית ללא פלישה, או חיפוש אחר חלקיקי חומר אפל במכשירי LHC.

בתחום הקוונטי, עבודתו הניחה את היסודות לקיוביטים מבוססי סופר-מוליכים, שגוגל ואייביאם משתמשים בהם כיום. ללא קלרק, לא היינו רואים את ההתקדמות במחשוב קוונטי.

קלרק עצמו מתאר את עבודתו כ"שילוב של יצירתיות פיזיקלית עם אומץ ניסיוני". כיום, כפרופסור אמריטוס, הוא ממשיך לייעץ לפרויקטים בתחום החיישנים, ומשפיע על דורות חדשים של חוקרים.

מישל דבורה: אבי הקוונטרוניקה ופיתוח קיוביטים סופר-מוליכים

מישל דבורה, בן 72, פרופסור אמריטוס להנדסה חשמלית ופיזיקה באוניברסיטת ייל, הוא דמות מרכזית בעולם הקוונטרוניקה, תחום שמשלב אלקטרוניקה עם מכניקת קוונטים. נולד בצרפת בשנת 1953, דבורה למד פיזיקה באוניברסיטת פריז וסיים דוקטורט בשנות ה-70 על אפקטים מזו-סקופיים – התנהגות אלקטרונים בסקאלות בינוניות. בשנות ה-80 הוא הצטרף לצוות של ג'ון קלרק בברקלי, שם התחיל את שיתוף הפעולה הגדול שהוביל לפרס.

מחקריו של דבורה התמקדו בהדגמת תופעות קוונטיות במעגלי סופר-מוליכים, במיוחד מנהור של זוגות קופר וסופרפוזיציה. בשיתוף עם קלרק ומרטיניס, הוא פרסם בשנת 1985 מאמר על מדידות מנהור מקרוסקופי מצומת ג'וזפסון, שהראה כיצד המערכת "בורחת" ממצב יציב דרך מחסום אנרגטי, ומייצרת מתח זעיר שניתן למדוד.

מאוחר יותר, בייל, דבורה פיתח את תחום Circuit Quantum Electrodynamics (cQED) – אינטראקציה בין מעגלים קוונטיים לפוטונים מיקרוגל. יחד עם עמיתים כמו רוברט שוולקופף וסטיבן גירווין, הוא בנה מערכות שבהן קיוביטים סופר-מוליכים מתקשרים עם חללים רזוננטיים, מה שמאפשר שליטה מדויקת במצבים קוונטיים.

אחת התובנות הגדולות של דבורה היא שהרעש הסביבתי, תרמי ואלקטרומגנטי, אינו חסם בלתי ניתן לעבירה; ניתן להשתמש בתופעות קוונטיות כדי להפחיתו. בשנות ה-2000, הוא חקר מנהור של שני זוגות קופר (Two-Cooper-Pair Tunneling), תופעה שמפחיתה רגישות לרעש ומשפרת יציבות קיוביטים. תובנה זו שינתה את תכנון קיוביטים: במקום להילחם ברעש, להשתמש במנהור כדי "לנקות" אותו.

בנוסף, עבודתו על שזירה במעגלים הדגימה כיצד חלקיקים מרוחקים יכולים להשפיע זה על זה מיידית, מה שיסודי להצפנה קוונטית.

הערך המדעי של דבורה הוא בבניית גשר בין תיאוריה להנדסה. הוא פרסם למעלה מ-500 מאמרים עם 66,000 ציטוטים, והשפיע על תחומים כמו פיזיקת חומר מוצק ומכניקת קוונטים. יישומים: חיישנים קוונטיים של ייל, שמבוססים על עבודתו, משמשים למדידות זמן מדויקות (טובות יותר משעון אטומי), גרביטציה תת-קרקעית בגיאופיזיקה, ואפילו זיהוי סרטן מוקדם דרך שדות מגנטיים גוף.

בתחום ההצפנה, מעגליו מאפשרים פרוטוקולים כמו BB84, שמגנים על תקשורת מפני האקרים. חברת Quantum Circuits, שהוקמה על בסיס רעיונותיו, מפתחת קיוביטים עם זיהוי שגיאות מובנה. דבורה הופך את הקוונטום ל-"אלקטרוניקה חדשה" שאינה מדע בדיוני, אלא כלי יומיומי.

כיום, הוא ממשיך במחקר על ספקטרוסקופיה של מעברי מצבים לא רצויים במעגלים, כדי לשפר קיוביטים עתידיים.

ג'ון מרטיניס: מיצירת קיוביטים ראשונים לעליונות קוונטית בגוגל

ג'ון מרטיניס, בן 65, פרופסור לפיזיקה באוניברסיטת קליפורניה בסנטה ברברה (UCSB), הוא הגשר בין האקדמיה לתעשייה. נולד בארה"ב בשנת 1960, מרטיניס סיים דוקטורט בברקלי בשנות ה-80 תחת קלרק, שם התחיל במחקר על קיוביטים סופר-מוליכים. בשנות ה-90 הוא חזר ל-UCSB והקים מעבדה שפיתחה את היסודות למחשוב קוונטי.

מחקריו המרכזיים התמקדו בשליטה בקיוביטים ובהדגמת עליונות קוונטית. בשיתוף עם קלרק ודבורה, הוא תרם למאמר 1985 על מנהור בצמתי ג'וזפסון. מאוחר יותר, בשנות ה-2000, הוא פיתח קיוביטים טרנס-מוניים (Transmon Qubits), גרסה משופרת של קיוביטים שמפחיתה רעש ומאפשרת קנה מידה.

בשנת 2014, מרטיניס הצטרף לגוגל כמנהל מדעי של Quantum AI, ושם הוביל את הפרויקט Sycamore, מעבד קוונטי עם 53 קיוביטים. בשנת 2019, הם הדגימו עליונות קוונטית: פתרון בעיה חישובית (דגימה רנדומלית של מעגלים) תוך 200 שניות, מה שייקח למחשב סופר-קלאסי 10,000 שנים. הניסוי השתמש במעגלים מבוססי מנהור קוונטי כדי לשמור על סופרפוזיציה.

תובנותיו של מרטיניס: ראשית, קנה מידה דורש שליטה בשגיאות, הוא הדגיש שקיוביטים צריכים תיקון שגיאות מובנה, מה שהוביל לטכניקות כמו שזירה מרחוק. שנית, עליונות קוונטית אינה רק מהירות; היא הוכחה שמערכות קוונטיות יכולות להתגבר על רעש. תובנה זו שינתה את התפיסה: קוונטום אינו "אולי", אלא "כבר כאן".

הערך שלו למדע הוא בהמרת תיאוריה ליישום תעשייתי. אחרי עזיבת גוגל ב-2020 (בגלל חילוקי דעות על קצב ההתקדמות), מרטיניס הקים חברת הזנק שמפתחת מערכות קוונטיות גדולות.

יישומים: מחשבים קוונטיים של גוגל פותרים בעיות כימיה (פיתוח תרופות) ואופטימיזציה (לוגיסטיקה). חיישנים מבוססי עבודתו משמשים בביטחון, כמו זיהוי צוללות דרך שדות מגנטיים. בהצפנה, קיוביטיו מאפשרים רשתות קוונטיות מאובטחות.

"הקוונטום דורש סבלנות, אבל התגמול עצום", אמר מרטיניס בראיון. כיום הוא ממשיך לפתח מערכות קוונטיות לדור הבא.

המשמעויות המעשיות והשפעה משותפת

עבודתם המשותפת של השלושה, שערכו ניסויים משותפים בשנות ה-80, יצרה את התשתית המדעית: צמתי ג'וזפסון כקיוביטים, SQUIDs כחיישנים מדויקים.

היישומים כיום כוללים:

• מחשוב קוונטי: חברות כמו גוגל ואייביאם משתמשות בעקרונותיהם
• חיישנים רגישים: יישומים ברפואה (הדמיה מוחית), גיאופיזיקה וביטחון
• הצפנה קוונטית: רשתות מאובטחות המבוססות על שזירה קוונטית

ועדת נובל שיבחה: "הם הביאו ניסויים על שבב שחשפו פיזיקה קוונטית בפעולה, והפכו תופעות תיאורטיות לכלים מעשיים."

לסיכום

הזכייה של קלרק, דבורה ומרטיניס ממחישה כיצד מנהור קוונטי הופך ממשונה תיאורטית למנוע טכנולוגי. הם לא רק גילו תופעות חדשות; הם בנו את התשתית המדעית והטכנולוגית לעתיד הקוונטי. עבודתם המשותפת מהווה דוגמה מושלמת לכך שמדע בסיסי, בשילוב עם חדשנות הנדסית ויזון עסקי, יכול לשנות את העולם.

הפרס מכיר בעבודה שהחלה לפני 40 שנה ומגיעה כיום לפריחה מלאה בתעשיות מתקדמות ברחבי העולם. זו זכייה שמגיעה בזמן המושלם, כאשר הטכנולוגיות הקוונטיות עוברות ממעבדות המחקר לשימוש מעשי, ומבטיחות לשנות תחומים כמו רפואה, אבטחת מידע וחישוב מדעי.