כשהאטום פוגש את השבב: טכנולוגיה קוונטית מחוץ למעבדה

במהלך פרויקט בתואר הראשון שלו בהנדסה באוניברסיטה העברית נחשף ד"ר רועי זקצר לראשונה לתחום השבבים האופטיים – ונשבה בקסמו. "היכולת לשלוט בתנועת האור על שבב בגודל מילימטרי, במקום באמצעות מערכת אופטית שתופסת שולחן שלם, ריתקה אותי", הוא מספר. "מאז אני מנסה לקחת עוד ועוד יכולות שקיימות במערכות אופטיות גדולות ומורכבות ולהעביר אותן אל השבב".

איך גורמים לאטומים לתקשר עם העולם?

ד"ר זקצר המשיך לתואר שני ולדוקטורט בפיזיקה יישומית באוניברסיטה העברית, שם התמחה בננופוטוניקה ובאינטראקציה בין אור לחומר. במהלך הדוקטורט התמקד באינטראקציה של אטומים ומולקולות עם מוליכי גל ננומטריים על שבב. "יש משהו שמרתק אותי עד היום במחשבה על אטום שנע במהירות של מאות מטרים בשנייה, חולף ליד מבנה שגודלו מאות ננומטרים, ובפרק הזמן הקצר הזה אנחנו מצליחים לגרום לו לבצע אינטראקציה משמעותית עם האור", הוא אומר. "ליכולת הזו יש יישומים רבים. אטומים מספקים לנו סטנדרט טבעי ומדויק במיוחד של תדר ואנרגיה, ולכן הם נמצאים בליבן של טכנולוגיות כמו שעונים אטומיים, חיישנים ומגנטומטרים. שילובם עם פוטוניקה על שבב יכול לאפשר למזער מערכות כאלה באופן דרמטי, ובמקביל לפתוח אפשרויות חדשות לתקשורת ולעיבוד מידע קוונטי".

עם סיום הדוקטורט נסע ד"ר זקצר למכון הקוונטי המאוחד (Joint Quantum Institute) במרילנד, שהוקם בשיתוף NIST ואוניברסיטת מרילנד. שם הרחיב את עבודתו לעבר התקנים קוונטיים, ובפרט לאינטראקציה בין אטומים בודדים ופוטונים בודדים, ולפיתוח המערכות האופטיות הדרושות להפעלתם. "בסופו של דבר, חלק גדול מהמחקר שלי עוסק בשאלה איך לגרום לאטומים לתקשר עם העולם החיצון", הוא מסביר. "אטומים יודעים לעבוד בתדרים מאוד מסוימים. מצד שני, מערכות תקשורת, לייזרים ורכיבים פוטוניים פועלים לעיתים בתדרים אחרים. אנחנו רוצים לבנות על השבב את הממשקים שמחברים בין העולמות האלה".

לשם כך הוא משתמש בתהליכים אופטיים לא־לינאריים שמאפשרים, למשל, להמיר אור מאורך גל אחד לאחר או לייצר על השבב אור בתדר הדרוש להפעלת האטומים. אבל הקשר עובד גם בכיוון ההפוך: האטומים עצמם הם מערכת אופטית לא־לינארית חזקה במיוחד, ואפשר להשתמש בהם כדי לגרום לפוטונים להשפיע זה על זה."זה החיבור שסביבו נבנית המעבדה: אטומים, פוטוניקה משולבת ואופטיקה לא־לינארית וקוונטית – כולם על אותו שבב".

המטרה: מערכת קוונטית שלמה על שבב

לאחר שלוש שנים במרילנד שב ד"ר זקצר לישראל, וכיום הוא חבר סגל במסלול לאלקטרו־אופטיקה בתוכנית להנדסת חשמל בפקולטה להנדסה של אוניברסיטת בר־אילן. במעבדה החדשה שלו, המעבדה לשבבים לפוטוניקה קוונטית היברידית, הוא מנסה להתמודד עם אחת הבעיות הבסיסיות של שילוב אטומים ופוטוניקה: האטומים נעים מהר מאוד, בעוד שהשדות האופטיים על השבב קטנים מאוד."האטומים שלנו נעים במהירות אופיינית של כ־300 מטר בשנייה, בעוד שהמוד האופטי שאיתו הם צריכים לבצע אינטראקציה יכול להיות בגודל של מיקרון בלבד", הוא מסביר. "לכן אנחנו פועלים בשני כיוונים משלימים: מצד אחד, אנחנו מפתחים מבנים שמאפשרים להאריך את זמן האינטראקציה ולשמור על הקוהרנטיות של האטומים; מצד שני, אנחנו לומדים לנצל דווקא אינטראקציות קצרות מאוד כדי לבצע פעולות קוונטיות מהירות".

החזון הוא לא רק למזער רכיב בודד, אלא לבנות מערכת קוונטית שלמה ומשולבת. "בסופו של דבר אני לא רוצה שהשבב יהיה רכיב קטן שמחובר למערכת ענקית על שולחן אופטי. המטרה היא למזער גם את הפונקציה הקוונטית וגם את המערכות שמפעילות אותה – מקורות האור, הממשקים והעיבוד האופטי". 

יתרון משמעותי של הגישה הוא שהמחקר מתמקד במערכות אטומיות חמות, שיכולות לפעול ללא קירור האטומים לטמפרטורות הקרובות לאפס המוחלט. "המטרה היא להגיע לצ'יפ קטן ויציב שפועל בטמפרטורת החדר, ושבסופו של דבר יוכל לעבוד גם מחוץ למעבדה".

מזיכרונות קוונטיים ועד חיישנים אטומיים

המחקר במעבדה משתרע על פני מספר כיוונים שמשלימים זה את זה. אחד מהם הוא פיתוח התקנים לעיבוד מידע קוונטי באמצעות אינטראקציה בין אטומים לפוטונים: זיכרונות קוונטיים, מקורות לפוטונים בודדים ושערים קוונטיים. חלק מהמחקר עוסק באינטראקציה עם אוסף של אטומים במוליכי גל מיוחדים, וחלקו מנסה להגיע למשטר הקיצוני שבו אטום בודד מתקשר בעוצמה עם פוטון בודד בתוך מהוד אופטי זעיר על שבב.

כיוון נוסף עוסק במטרולוגיה ובחישה. האטומים משמשים כ"סרגל" טבעי ומדויק במיוחד, והשאיפה היא לנצל אותם על שבב למדידת זמן ותדר, שדות אלקטרומגנטיים וגדלים פיזיקליים נוספים. מערכות כאלה עשויות בעתיד לשמש בחיישנים קומפקטיים, שעונים אטומיים ומערכות מדידה מדויקות.

במקביל מפתחת המעבדה מקורות אור ותהליכים אופטיים לא־לינאריים על שבב. "מערכת אטומית דורשת לעיתים מספר לייזרים באורכי גל שונים. אם רוצים להפוך אותה לטכנולוגיה שימושית, אי אפשר להסתמך על שולחן מלא בלייזרים וברכיבים אופטיים", אומר ד"ר זקצר. "לכן אנחנו רוצים לייצר גם את מקורות האור ואת המרות התדר על השבב עצמו".

אותם תהליכים יכולים גם לחבר מערכות קוונטיות לרשתות תקשורת. פוטון שנוצר באורך גל שמתאים לאטום אינו בהכרח מתאים להעברה יעילה בסיב אופטי למרחקים גדולים. המרת תדר קוונטית יכולה, למשל, לקחת פוטון שנוצר במערכת אטומית ולהעביר אותו לתחום אורכי הגל של תקשורת אופטית – תוך שמירה על המידע הקוונטי שהוא נושא.

להביא את הטכנולוגיה הקוונטית אל מחוץ למעבדה

בשנים האחרונות טכנולוגיות קוונטיות מתחילות לעבור בהדרגה ממחקר בסיסי למערכות בעלות יישומים ממשיים. חלוקת מפתחות קוונטית (QKD) כבר הודגמה ברשתות תקשורת ואף קיימת במערכות מסחריות, בעוד שחישה ומטרולוגיה קוונטית מציעות יישומים אפשריים בתחומי הניווט, התקשורת, הרפואה והביטחון.

אבל כדי שטכנולוגיות כאלה יהפכו לנפוצות, לא מספיק להראות שהפיזיקה עובדת. "הרבה מהמערכות הקוונטיות הטובות ביותר כיום הן עדיין מערכות גדולות ומורכבות שנמצאות במעבדות", אומר ד"ר זקצר. "האתגר שמעניין אותי הוא לקחת את הפיזיקה המדהימה שכבר למדנו לעשות ולהפוך אותה למשהו קטן, יציב ואינטגרבילי".

לדבריו, זהו חלק משינוי רחב הרבה יותר בעולם הטכנולוגיה. "כמות המידע שאנחנו מעבירים ומעבדים ממשיכה לגדול, ופוטוניקה משולבת כבר הופכת לחלק חשוב יותר ויותר מהתשתית הטכנולוגית שלנו. במקביל אנחנו לומדים לשלוט במערכות קוונטיות ברמה שלא הייתה אפשרית בעבר. החיבור בין שני הדברים האלה – פוטוניקה משולבת ומערכות אטומיות וקוונטיות – יכול לפתוח אפשרויות שאנחנו רק מתחילים להבין".

מחפשים את הדור הבא של החוקרים והחוקרות

בימים אלה מרחיב ד"ר זקצר את צוות המעבדה ומגייס סטודנטים וסטודנטיות לתואר שני ולתואר שלישי, פוסט־דוקטורנטים וכן מנהל או מנהלת מעבדה". היתרון במעבדה שלנו הוא שאפשר להגיע למחקר מכיוונים מאוד שונים", הוא אומר. "אפשר להתעניין בפיזיקה אטומית, באופטיקה קוונטית, בננופוטוניקה, בתכנון שבבים, בננו־פבריקציה או באופטיקה לא־לינארית – ובפועל הפרויקטים מחברים בין התחומים האלה".

עבור ד"ר זקצר, החיבור הזה הוא גם מה שהופך את התקופה הנוכחית למרגשת במיוחד. "אנחנו נמצאים בנקודה שבה אפשר לקחת רעיונות שפעם דרשו מעבדה שלמה ולהתחיל לדמיין אותם על שבב. אני מקווה שהמחקר שלנו יעזור להפוך אינטראקציות בין אור וחומר לבסיס של מערכות קוונטיות שימושיות – לתקשורת, לחישה, למדידות מדויקות ולעיבוד מידע", הוא מצהיר, ומוסיף. "ומי שיצטרף אלינו עכשיו, יוכל להיות חלק מהתהליך הזה ממש מההתחלה".

נשמע מעניין?
לפרטים ולהצטרפות למעבדה ניתן ליצור קשר עם ד"ר רועי זקצר:
roy.zektzer@biu.ac.il