שזירה קוונטית

שזירה קוונטית (באנגלית: Quantum Entanglement) היא תופעה במכניקת הקוונטים שבה פעולה על חלק אחד של מערכת מבוזרת חורצת את המצב של החלק האחר, גם כאשר שתי המערכות מרוחקות זו מזו ואין אפשרות של מעבר מידע ביניהן. על התופעה עמדו לראשונה איינשטיין פודולסקי ורוזן במאמר הידוע בשם הפרדוקס של EPR. את המינוח שזירה (במקור בגרמנית: Verschränkung, באנגלית: Entanglement) טבע ארוין שרדינגר במאמר שנכתב בעקבות מאמר EPR שבתרגום לעברית נקרא: "המצב הנוכחי של מכניקה קוונטית" (תרגום לאנגלית נמצא כאן).

השוואה בין מצב של שזירה קוונטית לבין מצב של קורלציה קלאסית. הגלאי השמאלי מגיב למצב קוונטי יחיד של פולריזציית שני פוטונים, ואילו הימני מגיב בצורה קלאסית. הסימון הורוד מתאר פוטון אחד שפוגע, והכתום מסמן את השני. ניתן לראות את ההתנהגות השונה של הגלאים כאשר שני הפוטונים פוגעים בהם במקביל.

ניתן לאשש את קיום השזירה על ידי מדידה של מתאמים (קורלציות) מתאימים הידועים בשם "אי שוויונות בל" (וגם משפטי בל). אי שויונות אלו מתארים את ההגבלות שנובעות מתורת ההסתברות על מתאמים בתורה קלאסית (תורה שהיא מקומית וריאליסטית).

במכניקה קוונטית השזירה מתוארת על ידי פונקציית גל שאינה מכפלה וליתר דיוק על ידי פונקציית גל שפרוק שמידט שלה הוא מהצורה

$\displaystyle {|\Psi \rangle =\sum _{j}\lambda _{j}|j\rangle \otimes |j\rangle }$

כאשר לפחות שני מקדמי שמידט אינם אפס. המצב נקרא שזור מקסימלית אם כל מקדמי שמידט שונים מאפס ושווים בערכם המוחלט.

בשנת 2022, הוענק פרס נובל לפיזיקה ג'ון פ' קלאוזר, אלן אספה ואנטון ציילינגר "על ניסויים בפוטונים שזורים, המבססים את ההפרה של אי־שוויון בל ומדע המידע הקוונטי הפורץ הדרך".

שימושים

חישוב ומחשוב קוונטי

ערך מורחב – מחשב קוונטי

מחשב קוונטי הוא מכונה המנצלת תופעות קוונטיות כדי לעבד נתונים על פי רצפי פקודות (אלגוריתמים קוונטיים ). בעזרת חישוב קוונטי ניתן לפתור בזמן סביר בעיות (BQP) אשר המחשבים הקלאסיים, בהם אנו משתמשם היום, לא יכולים לפתור בפרק זמן אפשרי, לא באופן דטרמיניסטי (P) ואף לא באופן הסתברותי (BPP). בתאוריית החישוב הקוונטי, אפשר להראות ששזירה היא תנאי הכרחי ל"יתרון קוונטי ".

תקשורת והצפנה קוונטית

ערך מורחב – הצפנה קוונטית

הקריפטוגרפיה (הצפנה) הקוונטית עושה שימוש בתופעת השזירה הקוונטית כדי ליצור מערכת תקשורת המסוגלת לזהות האזנות סתר. כמו כן נעשה שימוש רב במצבים שזורים לביצוע החלפת מפתחות קוונטית.

ב-29 במאי 2014 התפרסמו תוצאות ניסוי שנערך ב־TU Delft's Kavli Institute of Nanoscience. לדברי רונלד האנסון, הניסוי פותח פתח ממשי להעברת מידע מוגן באופן מיידי בין שני מחשבים, ללא תלות במרחק ביניהם וללא שימוש באמצעי אחרים.

טלפורטציה קוונטית

ערך מורחב – טלפורטציה קוונטית

במבט ראשון נראה כי השזירה הקוונטית סותרת מאפיין עיקרי של תורת היחסות של איינשטיין, הטוען כי לא ניתן להעביר מידע במהירות הגדולה יותר ממהירות האור. הסתירה לא באמת מתקיימת מכיוון שעל אף שנראה כי שתי מערכות שזורות פועלות בהדדיות זו עם זו על פני מרחקים גדולים ובאופן מיידי, לא ניתן להשתמש בתופעה זו על מנת להעביר מידע באופן מיידי.

עם זאת, ניתן להשתמש במצבים שזורים על מנת להעביר מצב קוונטי של מערכת למערכת אחרת הנמצאת במרחק כלשהו ממנה. בתהליך זה, אשר נקרא טלפורטציה קוונטית, נעשה שימוש בסט של מצבים קוונטיים בשילוב עם ערוץ מידע מסורתי, ועל כן קצב העברת המידע מוגבל למהירות האור. עם זאת, שיטה זו מאפשרת להעביר מצב קוונטי נתון כלשהו (מבין אינסוף מצבים קוונטיים אפשריים) על ידי שימוש במצב בל יחיד לכל קיוביט שמועבר, ושידור של שתי סיביות מידע בלבד.

שזירה ניסיונית של פוטונים

בעת הקרנה של קרן לייזר אולטרה-סגולה בגביש של בטא בריום בוראט, חומר בעל תכונות אופטיות בלתי ליניאריות, ישנה הסתברות מזערית (בערך 1 ל-10 מיליארד) של כל אחד מהפוטונים להתפרק בצורה ספונטנית לזוג של פוטונים בעלי אורך גל ארוך יותר (כדי לשמר אנרגיה). הפוטונים שנוצרו נפלטים בצדדים מנוגדים לקרן האולטרה סגולה, בשני חרוטים. מכל הזוגות שנוצרו, כ-1 ל-500 יהיו שזורים זה לזה.

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא שזירה קוונטית בוויקישיתוף

ערך מילוני בנושא שזירות, בוויקימילון

• גדעון לב, אנחנו עומדים בפני מהפכה. ברוכים הבאים לעידן הקוונטי בתולדות האנושות, באתר הארץ, 21 באוגוסט 2019
• אסף רונאל, שלומי קוטלר שבר את שיא העולם בשזירה קוונטית, באתר הארץ, 6 במאי 2021
• דן יודילביץ, מכון דוידסון לחינוך מדעי, דובון המים של שרדינגר, באתר ynet, 25 באפריל 2022