בדרך למחשב פוטוני-קוונטי

״יש רק אדם אחד בחדר הזה שלא מבין קוונטים; עד סוף ההרצאה אני מקווה שיצטרפו אליו עוד מאתיים״. זהו משפט פתיחה בקורס בתורת הקוונטים שד"ר מירי בלאו אוהבת לצטט. ״זה לפעמים לא נעים לומר לסטודנטים בשלב מתקדם בתואר: תאמינו לי שככה אור מתנהג גם אם זה לא הגיוני. זה הפוך מאינטואיציות ומהדחפים שלנו כבני אדם, ועוד יותר מזה כפיזיקאים וכמהנדסים, אנשים שכל מהותם היא לתאר את העולם שסביבנו בצורה רציונלית", היא אומרת. "אנחנו רוצים להסביר לעצמנו דברים שיתיישבו על הדעת, ומכניקת הקוונטים היא לא אינטואיטיבית. אי אפשר לראות אותה והיא לא מתנהגת כמו שום דבר אחר. נורא קשה לתקשר את זה. צריך לזכור שהמון אנשים חכמים, כולל אלברט איינשטיין, חשבו, בין השאר מהסיבה הזאת, שתיאוריית הקוונטים פשוט שגויה".

במהירות האור

אל ההתמחות בקוונטים הגיעה ד״ר בלאו בשלב מתקדם במסלול האקדמי. העיסוק באור, פוטוניקה ואופטיקה לעומת זאת, היה שם מההתחלה. את התואר הראשון היא השלימה במכון טל בהתמחות באלקטרו אופטיקה. במהלך פרויקט הגמר, אותו ערכה במרכז למחקר גרעיני בנחל שורק, היא הבינה שהיא רוצה להמשיך ולהתעמק בתחום. ואכן, התואר השני שהפך לדוקטורט ישיר, אותו עשתה במכון לפיזיקה ישומית באוניברסיטה העברית, עסק בתחום התקשורת האופטית. ״זו הייתה ההזדמנות שלי להבין את הפוטנציאל העצום של כל התקדמות בתחום האופטיקה: אין דרך יעילה יותר להעביר מידע, והתשתיות המתקדמות מאפשרות לנצל כל התפתחות מדעית״. 

בסיועה מלגת פולברייט של משרד החוץ האמריקאי היא יצאה לפוסט דוקטורט, אותו ערכה באוניברסיטת קולומביה בניו יורק. ״זה לא פשוט להעביר משפחה עם שלושה ילדים אל מעבר לים, אבל זו בכל זאת חוויה מיוחדת מאד. ניו יורק היא מקום יוצא דופן להעביר בו תקופה כל כך מעצבת, והשהות בארצות הברית מאפשרת גישה לכנסים המשמעותיים ביותר בכל תחום״.

באוניברסיטת קולומביה הצטרפה למעבדתו המובילה של פרופסור אלכס גאטה. זה היה השלב שבו החליטה להתמקד בחקר התופעות הקוונטיות של האור, או במילים אחרות: פוטוניקה קוונטית. ״כשרוצים להגיד שמשהו מובן אומרים שהוא ׳בהיר׳ או ׳מאיר׳. אבל כשמתבוננים ברכיבים היסודיים ביותר של האור מתגלות תופעות שקשה להאמין להם. כל העולם הקוונטי הוא עולם שמתגלה ביחסים בין חלקיקים אלמנטריים בודדים. במקרה של האור, מדובר בפוטונים. ההתנהגויות הייחודיות שמתארת תורת הקוונטים מאפשרים ביצוע חישובים שאין כמעט כל דרך אחרת לבצע, או הצפנה שאין דרך לפצח. מעבדות שונות מנסות לייצר את התנאים להתנהגויות האלה על ידי חלקיקים שונים. בהקשר הזה יש לפוטונים כמה יתרונות בולטים: הם נעים בקלות, ההפסדים שלהם נמוכים, הם מתקיימים בטמפרטורת החדר, ואולי הכי משמעותי: יש לנו כבר תשתית שמתאימה להם. לכל פריצת דרך בתחום הפוטוניקה הקוונטית יש את הפוטנציאל לייצר מהפכה של ממש״.

מרכז הננו

בשנת 2025 שבה ד"ר בלאו לארץ, ובתחילת שנת הלימודים האקדמית השתלבה במסלול לאלקטרו-אופטיקה בפקולטה להנדסה של בר-אילן. בימים אלה היא מקימה את המעבדה לפוטוניקה קוונטית: "אני רוצה לשלב את הידע המעשי שלי, ואת התשתיות שיש כאן באוניברסיטה, לתכנון וייצור רכיבים אופטיים ייחודיים, עבור פיתוח יכולות קוונטיות בחישוב ובתקשורת", היא מצהירה. 

״מחקר קוונטי בתחום שלי כולל בדרך כלל שלושה שלבים: תכנון, ייצור ואפיון של רכיב פוטוני; ביצוע הניסוי עצמו שכולל בדרך כלל העברה של פוטונים דרך הרכיב; ומדידת הפוטונים לאחר המעבר הזה. כל שלב דורש תשומת לב, דיוק והרבה ציוד ייחודי״.

לצד הפקולטה להנדסה, הצטרפה ד"ר בלאו למכון לננו-טכנולוגיה וחומרים מתקדמים של בר-אילן. המכשור במכון הוא בדיוק מה שדרוש על מנת לייצר רכיבים פוטוניים מהסוג שהיא חוקרת: ״רכיב פוטוני הוא מבנה מזערי שמנווט את האור בצורה כזאת שיוצרת שינוי מצב קוונטי. למשל, פתרון פרמננטה של מטריצה היא משהו שאנחנו יודעים להגיע אליו באמצעים כאלה. אחד המכשירים החדשניים במכון הננו הוא הננו-סקרייב. זוהי למעשה מדפסת תלת מימד ברזולוציה של עשרות ננו-מטרים בלבד. כל הדפסה כזאת היא ניסוי בפני עצמו, זה לא מובן מאליו שהמבנה שתכננת יחזיק מעמד. אחרי ההדפסה אנחנו משתמשים במיקרוסקופ אלקטרוני כדי לצלם את הרכיב ולזהות אם הגענו לתוצאה הרצויה״.

״הננו סקרייב במרכז בבר אילן הוא החדיש מסוגו בארץ. במובן הזה, אין מקום טוב יותר להדפיס בו רכיבים מהסוג הזה מאשר האוניברסיטה שלנו״.

הניסוי והמדידה

אבל כאמור האתגר לא מסתיים שם. ״זה לא מספיק לייצר רכיב שאמור לעשות חישוב, אנחנו רוצים לראות שהחישוב אכן נעשה״, היא מסבירה. לשם כך צריך להזרים אור ברכיב, אבל כפי שאתם יכולים לנחש, לא מדובר כאן בפנס פשוט: ״ישנם שבבים אופטיים ייחודיים שמכילים בתוכם מהוד. העברה של אור חלש דרך המהוד הזה מעוררת תהליכים שפולטים פוטונים בודדים. אלו הפוטונים שאנחנו צריכים לנתב לתוך הרכיבים שהדפסנו על מנת לחזות בחישוב הקוונטי״.

כל זה רק כדי להגיע לחלק שאותו רואה ד״ר בלאו כמאתגר ביותר – המדידה. בתחום הזה המעבדה שלה עומדת להיות יחידה מסוגה בארץ. ״גם הגלאים העדינים ביותר אינם רגישים מספיק כדי לקלוט פוטון בודד. אבל זו בדיוק הרגישות ההכרחית כדי לזהות הצלחה של ניסוי״.

המכשירים שהיא זקוקה להם נבנים עבורה על פי דרישה במכון שוויצרי המתמחה בתחום זה, והם אמורים להגיע לאוניברסיטה בחודשים הקרובים. בכך, תצטרף המעבדה של ד״ר בלאו לקומץ מצומצם ביותר של מעבדות שמצליחות למדוד תופעות מהסוג הזה. היא מסבירה מדוע מדובר באתגר גדול כל כך: ״הגלאי שמאפשר זיהוי של פוטון בודד מורכב ממעין חוט סיליקון שהופך בטמפרטורה מאד נמוכה למוליך על. המוליכות הזאת רגישה לפגיעה של פוטון בודד, ואנחנו יודעים למדוד את שינוי המוליכות הזאת״. אל תדמיינו את הפריזר שלכם, ״הטמפרטורה שצריך להגיע אליה היא פחות ממעלה בודדת מעל האפס המוחלט״.

עם הפנים קדימה 

עם המערכת שתגיע, מאמינה ד"ר בלאו שהיא תוכל לקחת את ההישגים שנעשו עד היום בתחום פוטוניקת הקוונטים, ולעלות רמה: למספר פוטונים גדול יותר, לסיבוכיות גדולה יותר, למערכות סקלביליות, שאפשר להגדיל אותן לגודל שיש לו אפליקציה רלוונטית. "במערכת הזו אפשר יהיה למדוד עד 40 פוטונים בבת אחת", היא אומרת.

למעבדה שתקום היא מחפשת סטודנטיות וסטודנטים לתואר שני ושלישי, וגם לתואר ראשון בשנים מתקדמות. "כל שלב בתהליך שתיארתי דורש מומחיות, והמון ניסוי וטעיה. אחד הדברים שמשכו אותי לתחום הזה הוא שאני אדם סקרן, שנהנה לגלות דברים חדשים. אבל לא פחות חשובה היכולת לספוג תסכולים ולא להתייאש. מחקר זה דבר מתסכל. לפעמים עובדים שנים ולא יודעים מה תהיה התוצאה ואפילו מה יהיה מחר בבוקר. אבל כשמצליחים - הסיפוק הוא מאוד מאוד גדול", היא משתפת, "לכן, אני מחפשת אנשים ונשים סקרנים וחכמים, שהתחום של פוטוניקה קוונטית שנשמע להם מעניין, ומוכנים לעמוד באתגרים האלה על מנת לגלות דברים חדשים".

בקרוב: מועדון לסטודנטיות בפקולטה

לצד עבודתה המחקרית, תתחיל ד"ר בלאו ללמד את הקורס נושאים מתקדמים בתקשורת אופטית, המיועד לסטודנטים וסטודנטיות בשנים ג-ד במסלול לאלקטרו-אופטיקה ולתואר שני בהנדסת חשמל. 

במקביל, היא מקימה בפקולטה מועדון לסטודנטיות. "עד עכשיו, לאורך הדרך האקדמית שלי, ברוב המקרים הייתי האישה היחידה בחדר, וזה מאוד הפריע לי. פניתי עם הנושא לפרופ' אורית שפי, דיקנית הפקולטה, ושתינו מרגישות שיש מקום לקדם ולעודד נשים בתחום, ולשאוף למצב שבו יהיו 50% סטודנטיות בפקולטה, ושהנדסה לא יהיה מקצוע גברי כל כך. החלום שלי הוא להיכנס לכיתה ולא להכיר את הסטודנטיות הבודדות שיש באופן אישי".