בדרך לפענוח פרדוקס קוונטי

כתב העת החדש של האקדמיה האמריקאית למדעים (NAS), PNAS Nexus, פרסם החודש מאמר של ד"ר אלי כהן מהפקולטה, שנכתב במשותף עם פרופ' ריו אוקמוטו (Ryo Okamoto) מאוניברסיטת קיוטו. "ד"ר אוקמוטו ואני נפגשנו לפני מספר שנים, בכנס מדעי בכרתים," נזכר ד"ר כהן. "באותה השנה פרסמנו ביחד עם שותפים מישראל ויפן מאמר תיאורטי שמחבר בין רעיון קונספטואלי קודם שהיה לנו לבין טכניקה אופטית חדשה שריו ושותפו פיתחו (את המאמר ניתן לקרוא כאן. כתבה עליו פורסמה גם במגזין Scientific American וניתן לקרוא אותה כאן).  תוך כדי הכנס, התחלנו, ד"ר אוקמוטו ואני, לדבר על ניסוי במעבדה שידגים את אותו אפקט פרדוקסלי, ומאז שמרנו על קשר והתחלנו בעבודתנו המשותפת".

האפקט אותו תארו ד"ר כהן ושותפיו במאמר שלו נקרא Disappearing and Reappearing Particle.  "במסגרת האפקט אפשר לדמיין שלוש קופסאות, שתיים מהן מחוברות ואחת מרוחקת. ברגע ההתחלה מכינים בקופסאות אלו חלקיק קוונטי במצב של סופרפוזיציה, כלומר, עם סיכוי כלשהו להיות בשלושתן. עם זאת, לאורך הזמן אפשר לנבא שלושה אירועים בוודאות מוחלטת: קיים רגע בזמן שבו החלקיק יהיה בהכרח בקופסה א' אם נפתח אותה וקיים רגע בזמן שבו החלקיק יהיה בהכרח בקופסה ב' אם נפתח אותה. עד כאן זה אולי מוזר, אבל לא מפתיע ברמה הקוונטית - ידוע שתורת הקוונטים מאפשרת את זה היות שהקופסאות מחוברות", מסביר ד"ר כהן. " ההפתעה שאליה מתייחס הפרדוקס מתייחסת לאירוע השלישי אותו ניתן לנבא בוודאות: קיים רגע אחר בזמן שבו גם קופסה א' וגם קופסה ב' מתרוקנות שתיהן, והחלקיק שקודם לכן היה יכול להימצא שם, איננו - הוא נמצא כעת בקופסה ג', שכלל לא הייתה מחוברת אליהן".

הניסוי המשותף של ד"ר כהן וד"ר אוקמוטו בוצע בשנת 2021. "במסגרת הניסוי מיוצר פוטון בודד, כלומר, היחידה הבסיסית ביותר של האור, ואז הוא מפוצל לשלושת הקופסאות אותן מממשים פיזיקלית באמצעות אינטרפרומטר (מערכת אופטית נפוצה) אבל עם שלושה מודים, כלומר שלוש אפשרויות מעבר. כעת, כל מדידה רגילה של מיקום הפוטון עלולה להרוס את הניסוי ולכן פיתחנו סוג של מדידה "חלשה" שמסוגלת לאסוף אינפורמציה על הפוטון מבלי להרוס את המצב הקוונטי שלו, באופן שמאפשר לו להמשיך בדרכו עם הפרעה מינימאלית לתנועה שלו", מספר ד"ר כהן. "מעבר למיקום הרגעי של הפוטון, מדדנו גם את הקורלציות בין המיקומים העוקבים שלו בזוגות של קופסאות ובשלושתן יחדיו בזמנים שונים. הקורלציות הזמניות האלה חשובות כי מהן הסקנו שאכן האפקט שחזינו מתקיים במלואו. אבל בנוסף, הסקנו שמשהו מהפוטון נשאר בקופסאות גם כאשר הן ריקות לכאורה. מעין זיכרון שהיה שם משהו ושניתן גם להחיות מחדש. לדעתנו, זה המפתח להבנת הפרדוקס, והוא משליך על האופי הלא-ממוקם והלא-אינטואיטיבי של חלקיקים קוונטיים".

נשמע לכם מעניין? את המאמר המלא המתאר את הניסוי של ד"ר כהן וד"ר אוקמוטו תוכלו לקרוא כאן.