מחשב קוונטי הראה איך חלקיקים חדשים נוצרים מאנרגיה - כמו רגע אחרי המפץ הגדול

בואו נתחיל מהסוף. קבוצת חוקרים באוניברסיטת דיוק בצפון קרוליינה הצליחה להראות, על מחשב קוונטי קטן, איך אנרגיה הופכת לחומר: איך מתוך מתח שנצבר בין שני חלקיקים צצים פתאום שני חלקיקים חדשים. זה תהליך שקורה בטבע במקומות שקשה מאוד להגיע אליהם, כמו התנגשויות במאיץ חלקיקים או השבריר הראשון של היקום. המחקר פורסם ב-23 בספטמבר בכתב העת Nature Physics, ובין החוקרים יש גם פיזיקאי ישראלי.

גומייה שנקרעת, ובמקום אחת יש שתיים

כדי להבין מה קרה שם צריך משפט אחד על מה שיש בתוך האטום. הפרוטונים והנייטרונים שבגרעין בנויים מחלקיקים קטנים יותר, קווארקים. הקווארקים האלה אף פעם לא מסתובבים לבד. הכוח שמחזיק אותם יחד מתנהג כמו גומייה: ככל שמושכים שני קווארקים זה מזה, הגומייה נמתחת והכוח הולך וגדל.

בשלב מסוים נאגרת בגומייה כל כך הרבה אנרגיה, שהטבע "מעדיף" לקרוע אותה. אבל הגומייה לא נקרעת לשני קצוות חופשיים. מהאנרגיה שהצטברה בה נוצר זוג חדש של חלקיקים, קווארק ואנטי-קווארק, וכל אחד מהם נתפס לקצה אחר. במקום גומייה אחת מתוחה יש עכשיו שתיים רפויות. הפיזיקאים קוראים לזה שבירת מיתר, וזו הדגמה מוחשית של הנוסחה המפורסמת של איינשטיין, E=mc², שאומרת שאנרגיה וחומר הם אותו דבר בשתי צורות.

מה עשו במעבדה

אי אפשר לתפוס קווארק ולמתוח אותו. אז החוקרים בנו דגם מוקטן. הם לקחו 13 יונים, אטומים עם מטען חשמלי, והחזיקו אותם בשורה בתוך מלכודת חשמלית, כמו חרוזים על חוט. בעזרת קרני לייזר מדויקות הם קבעו איך כל יון "מרגיש" את השכנים שלו, כך שהשורה כולה תתנהג לפי אותם חוקים שמתארים את הגומייה בין הקווארקים.

ואז הם נתנו למערכת מכה. הם שינו בבת אחת את התנאים, הכניסו אנרגיה והוציאו את השורה משיווי משקל, ועקבו אחרי מה שקורה. התוצאה: במערכת הופיעו זוגות חדשים של מטענים, מה שמצפים לראות כשהמיתר נשבר. זה מהניסויים הראשונים שמראים את התהליך הזה על מחשב קוונטי.

למה בכלל צריך מחשב קוונטי בשביל זה

בתיאוריה אפשר לחשב את כל זה על מחשב רגיל. בפועל, מספר המצבים האפשריים גדל בקצב מטורף עם כל חלקיק שמוסיפים, ואחרי כמה עשרות חלקיקים אף מחשב-על לא עומד בזה. הפיזיקאי ריצ'רד פיינמן אמר כבר ב-1981 שאם רוצים לדמות את הטבע, צריך מכונה שמתנהגת כמו הטבע, כלומר מכונה קוונטית. מחשב רגיל מחשב את החלקיקים צעד אחרי צעד. מחשב קוונטי פשוט מתנהג כמוהם.

דיוק לא לבד בזה. גם גוגל, על מעבד ממעגלים מוליכי-על, וגם החברה QuEra, על אטומים ניטרליים שמוחזקים ב"פינצטות" של אור, הראו לאחרונה שבירת מיתר. כלומר, אותה תופעה נבדקה עכשיו על שלוש הטכנולוגיות המובילות למחשב קוונטי, וזה הסימן שהמכונות האלה מתחילות להגיע לשאלות יסוד בפיזיקה.

מה זה עוד לא

חשוב להבין את הגבולות. הדגם שבנו החוקרים פשוט בהרבה מהתיאוריה האמיתית של הקווארקים, והמערכת קטנה, 13 יונים בלבד. מודל בגודל כזה עוד אפשר לחשב גם במחשב רגיל, ולכן זה לא רגע שבו המחשב הקוונטי ניצח. הערך הוא בהוכחה שהשיטה עובדת. ככל שהמחשבים הקוונטיים יגדלו, אפשר יהיה לדמות איתם מצבים שמחשב רגיל כבר לא יוכל להתמודד איתם, למשל מה שקורה במאיץ החלקיקים הגדול בז'נבה, שעכשיו נכנס לשיפוץ. זוהרה דבודי, פרופסור לפיזיקה מאוניברסיטת מרילנד שהשתתפה במחקר, אמרה שגם תובנות קטנות ממודל כזה ינחו את החוקרים בהמשך.

הישראלי במחקר, והפרס שאיש עוד לא לקח

המחקר נעשה בהובלת כריסטופר מונרו, שעומד בראש המחקר במרכז הקוונטי של דיוק. בין החוקרים גם אור כץ, פיזיקאי שעשה את הדוקטורט שלו במכון ויצמן, עבד כחוקר במרכז הקוונטי של דיוק ומכהן היום כפרופסור באוניברסיטת קורנל. המחבר הראשון, ארינג'וי דה, היה דוקטורנט במעבדה של מונרו ועובד היום ב-QuEra.

• איבדה 55% מתחילת השנה וקיבלה יעד אגרסיבי: ההימור של RBC על זנאדו
• מניית הקוונטים שמקבלת אפסייד של 30%

ולמה כל זה מעניין מעבר למעבדה? השאלה למה קווארקים אף פעם לא נראים לבד היא מהבעיות הפתוחות הגדולות בפיזיקה. מכון קליי למתמטיקה הציע פרס של מיליון דולר למי שיוכיח מתמטית תכונה מרכזית של התיאוריה שמתארת את הכוח הזה, ואיש עוד לא זכה בו. את המחקר מימנו בין היתר משרד האנרגיה האמריקאי, הקרן הלאומית למדע, DARPA ושירות הענן של אמזון, AWS.