תורת הקוונטים היא, ללא ספק, התורה הפיסיקלית המוכחת
ביותר, והפחות מתקבלת על הדעת בעת ובעונה אחת. נילס בוהר אמר עליה,
שכל מי שרק מתחיל לרדת למשמעויותיה, חייב להזדעזע עד עמקי נשמתו.
ובכל זאת, התורה ה"בלתי אפשרית" הזאת עושה עכשיו בפעם נוספת את
הבלתי אפשרי, ונרתמת ליישומים מציאותיים מאוד, ובהם אפילו יישומים
צבאיים, מודיעיניים וכלכליים.
בתחילת המאה נקלעה הפיסיקה למשבר, שאחת מסיבותיו המטרידות
ביותר, ניתנת לתיאור כבעיה של "קרינת גוף שחור", המתמצה בשאלה, מהי
כמות האנרגיה ה"כלואה" בעצם כלשהו (למשל קופסה) הנתון בשיווי משקל
עם הקרינה שבתוכו. שיווי משקל במובן זה, הוא מצב המתקיים במערכת
סגורה שהתנהגותה הממוצעת אינה משתנה במשך זמן רב. על-פי התפיסה
ששלטה אז בפיסיקה, נראה היה שתיאורטית, כמעט בכל טמפרטורה, האנרגיה
הכלואה בעצם (המערכת הסגורה), הולכת ונעשית אין-סופית. מסקנה זו
היא, כמובן, אבסורד מוחלט, אבל הפיסיקאים לא הצליחו למצוא ממנו
מוצא.
בנקודה זו הופיע הפיסיקאי הגרמני מקס פלנק והציע רעיון, שבמבט
ראשון נראה לרבים לא פחות אבסורדי מהמצב שאותו נועד לפתור. פלנק
הציע לראות את השדה האלקטרו-מגנטי הכלוא בעצם כאילו שהוא עשוי מעין
"קפיצים" או "מטוטלות", התלויים ב"קירות" של העצם שבו הם מתקיימים.
כלומר, השדה והאנרגיה שלו הם אוסף של תנודות, התלויות במרחק שבין
"קירות" העצם. מהתיאור הזה עולה מסקנה שקיימת כמות (או "מנה"
מינימלית של אנרגיה המסוגלת להפעיל את התנודות האלה. ה"מנה"
המינימלית והיסודית הזאת כונתה "קוונט". לאמיתו של דבר, ניתן להחיל
את התיאור הזה על עצמים גדלים והולכים, עד שלמעשה, הוא יחול על
היקום כולו. עד כמה שיישמע הדבר מוזר (וזו רק מוזרות אחת בסדרה
ארוכה של מוזרויות), מצליחה התיאוריה הזאת לנבא בדיוק רב את
מאפייני הקרינה, או האנרגיה, של עצמים שונים הנתונים בטמפרטורות
ובמצבים שונים.
שנים אחדות לאחר מכן, הציג אלברט איינשטיין את הסברו לאפקט
הפוטו אלקטרי (מחקר זה – ולא פיתוח תורת היחסות – זיכה אותו כעבור
עשרים שנה בפרס נובל בפיסיקה). איינשטיין הסביר תוצאות שהתקבלו
בניסויים שונים, שבהם הקרינו מתכת באור אולטרא-סגול. התברר שמעבר
לסף מסוים, "משיבה המתכת באש", ופולטת אלקטרונים. ביטוי המפתח
במשפט הזה, הוא "מעבר לסף מסוים". כלומר, המתכת מתחילה לפלוט
אלקטרונים, רק כאשר קרינת האור הפוגעת בה מגיעה לתדירות מינימלית
כלשהי. קרינה בתדירות נמוכה יותר, כאילו "אינה ראויה לתגובה".
איינשטיין ראה בתופעה הזאת, הוכחה לנכונות התפיסה הקוונטית
מיסודו של פלנק. ההסבר הקוונטי שהציע לתוצאת הניסוי, אומר שכדי לנתק
אלקטרון מתוך מתכת, דרושים כמה קוונטים של אור, בעלי אנרגיה
מינימלית מסוימת. בדיעבד נמצא שההסבר הזה אינו מדויק, אבל זו הייתה
הפעם הראשונה שלתיאוריית הקוונטים יוחסה משמעות פיסיקלית ממשית
(עד אז ראו אותה כמעין "תרגיל" מתמטי מופשט).
כעבור שמונה שנים איפשרה תיאוריית הקוונטים להסביר את התופעה
שלפיה אטומים של חומרים שונים פולטים ובולעים קרינה בעלת אורכי גל
אופייניים (תופעה זו מאפשרת, בין היתר, לזהות במדויק חומרים שונים
המצויים בכוכבים ובגלקסיות). מכאן הייתה הדרך קצרה עד לניסוחה של
מכניקת קוונטים, המבוססת על חלוקת גדלים פיסיקליים שונים למנות
בדידות.
עם זאת, בשל סיבות שונות (היסטוריות וטכניות כאחד), התרכזה
הפעילות המחקרית בתחום זה, בתופעות חומריות. רק בשנות ה-70 הוחל
בחקר ההתנהגות הקוונטית של השדה האלקטרו מגנטי, ושל הקרינה האלקטרו
מגנטית (שהאור הנראה הוא חלק ממנה). התנופה המחקרית האדירה המאפיינת
את המחקרים באופטיקה קוואנטית בשנים האחרונות, נובעת משתי סיבות.
ראשית, מחקרים אלה מסוגלים לבחון את יסודותיה של תורת הקוונטים (דבר
שלא נעשה עד לאחרונה). שנית, הבנת התכונות הקוונטיות של האור, עשויות
להניב פירות יישומיים אדירים, שיאפשרו את פיתוחם של מוצרי טכנולוגיה
מדור חדש לחלוטין.
אחת התופעות הבסיסיות ביותר הקשורות לתורת הקוונטים, מתרחשת
כאשר שני חלקיקים קוונטיים נפלטים באופן ובקצב אקראי ממקור אחד.
למשל, שני קוונטים של אור (פוטונים) הנפלטים מאטום. מתברר שעל אף
האקראיות שבה הם נפלטים, יש בין הפוטונים ה"אחים" האלה קשר והתאמה,
המתבטאים בכיווני הקיטוב שלהם. מתברר שאם פוטון אחד מסתובב שמאלה,
הפוטון שייפלט אחריו מאותו מקור לכיוון מנוגד, יסתובב ימינה. אבל,
ההתאמה הזאת נראית רק לאורך צירם המשותף. ההתאמה הזאת שבין ה"אחים"
גורמת לכך, שכאשר משנים את כיוונו של מסנן מקטב שמבעדו מתבוננים
בפוטון אחד, משתנה כתוצאה מכך, כיוון קיטובו של הפוטון השני, שאיש
לא "נגע" בו. ההתאמה הזאת שבין שני הפוטונים מתקיים בכל המצבים, ללא
תלות במרחק. לדוגמה: מדידה, או התבוננות בפוטון אחד על כדור-הארץ,
תשנה את תכונותיו של "אחיו" (שנפלט יחד איתו מאותו מקור), גם אם
הוא מצוי כיום בגלקסיה אחרת.
לכאורה סותר התיאור הזה את עיקרון הסיבתיות, שהוא העיקרון
הבסיסי ביותר בחשיבה המדעית האנושית. ויותר מזה: כדי שמדידת פוטון
אחד תשנה במשהו את בן זוגו, צריך הפוטון הראשון "לשלוח הודעה"
לפוטון השני. כאשר המרחק בין שני הפוטונים גדול מאוד, צריכה ההודעה
הזאת לנוע במהירות העולה על מהירות האור, דבר שאינו אפשרי לפי כל
הידוע לנו. על אף המוזרות הזאת, ההתאמה בין שני פוטונים "אחים"
הוכחה שוב ושוב. ניסוי מכריע בעניין זה בוצע בשנת 1986 באוניברסיטת
פאריס. ההסבר המקובל לתופעה אומר, שאין כאן צורך ב"הודעה" שתנוע בין
שני הפוטונים, מכיוון שההתאמה ביניהם היא עובדת יסוד של הטבע, שאינה
תלויה במקום או במרחק. ניסויים אחרים בתחום זה בוחנים את
ההתאמה בין שלושה פוטונים הנפלטים באופן ובקצב אקראי מאותו מקור.
עיקרון מוזר נוסף העולה מתורת הקוונטים, אומר שזוג פוטונים
המגיעים לגלאי, יראו לו כשווים – אם היה יכול להתקיים ביניהם קשר
(גם אם הקשר לא התקיים בפועל). כלומר, הגלאי אינו יכול להבחין
בהבדלים כלשהם בין היכולת לבין מימושה, או בין "הבטחה" לבין
"קיומה". הפוטנציאל תמיד נראה לו מנוצל (או להיפך). מה שיכול לקרות
– קרה. ומה שקרה – רק יכול היה לקרות. זו אמירה הנשמעת פילוסופית
משהו, אבל גם היא הוכחה ללא עוררין (בניסויים שביצע לנארד
מנדל באוניברסיטת רוצ'סטר, ארה"ב). כלומר, הטבע "יודע" מהן
האפשרויות השונות היכולות להתקיים במציאות של מערכת מסוימת,
ואין זה משנה, לדידו, אילו מהן מומשו ואילו לא.
בניגוד לתפיסה הרווחת, העקרונות האלה אינם מתבטאים רק באופן
סטיסטי, אלא יש להם משמעות מוחלטת בכל מקרה לגופו. לדוגמה, בניסוי
המחשבתי הידוע של שרדינגר, מכניסים חתול לתוך קופסה, שבתוכה מצוי
מתקן העלול להרוג את החתול בעיתוי אקראי. השאלה היא, כאשר התיבה
סגורה, האם החתול חי או מת? תשובה מוצעת אחת אומרת ש"לפעמים חי
ולפעמים מת". תשובה מוצעת אחרת אומרת "אולי חי ואולי מת". אבל
התשובה הנכונה היא "גם חי וגם מת, בעת ובעונה אחת". כלומר בחלק
מהקוונטים (ה"מנות הבסיסיות") שלו, החתול חי, ובחלקם האחר, הוא מת.
האמירה הזאת הנשמעת חסרת משמעות (מהי "מנה בסיסית" של חתול?),
היא, ככל שאפשר לשפוט, האמת הפיסיקלית הטבעית. מצב זה (המתקיים עד
למדידה, או עד לפתיחת התיבה), שבו החתול חי ומת בעת ובעונה אחת,
קרוי "מצב על" ("סופרפוזיציה"). ברמת האטום הבודד, הוכח כבר קיומם
של "מצבי על" כאלה. במערכות גדולות (מחתולים ועד לגלקסיות) קשה, בין
היתר בשל השפעת הסביבה, לבצע ניסויים כאלה. האופטיקה הקוונטית היא שדה
הניסויים המציע את האפשרויות הרבות והטובות ביותר בתחום מחקר זה,
ועובדה זו, היא, למעשה, סיבת הפעילות המחקרית הרבה המתקיימת בתחום
זה באחרונה.
ניסוי אחד בתחום זה נועד לשפר את היחס שבין מספרם של הפוטונים
נושאי המידע באות מסוים (המועבר בשידור או בסיב אופטי), לבין מספרם
של הפוטונים ה"ריקים", המהווים "רעש" המלווה את המידע, ומפריע לו.
באופן רגיל, בין הפוטונים נושאי המידע קיימים פוטוני "רעש" רבים,
והחוקרים מבקשים להפחית את מספרם עד כמה שאפשר, עד שכל פוטון בקרינה
ינוצל ויישא מידע. כך אפשר יהיה להגיע לניצול רב בהרבה של ערוצי
השידור והטלפון, בהשוואה ליחס הקיים ביניהם בהווה.
הקושי בעניין זה נובע מהעובדה שאפילו לייזר אינו פולט פוטונים
בקצב אחיד, כך שאי-אפשר לאפיין את שדה הקרינה שלו במספר קבוע של
פוטונים (מצב הנובע מעיקרון אי-הוודאות, שלפיו אפשר לדעת או את
האנרגיה או את מצב תנודתו של חלקיק או שדה, אך לא את שניהם בעת ובעונה
אחת). במתקן הלייזר טוב ומדויק אפשר להפחית את כמות
ה"רעש" לכ-20% מהאותות נושאי המידע. בשיטות מתקדמות יותר מקווים
המדענים להפחית משמעותית את שיעורו ה"רעש".
במרכז המחקר של משרד ההגנה האנגלי, ובמרכז המחקר של חברת יבמ
ביורקטאון הייטס, ניו-יורק, ארה"ב, מפותחים יישומים
מודיעיניים וכלכליים העולים מתופעת ההתאמה שבין כיווני הקיטוב של
שני פוטונים הנפלטים מאותו מקור. מדובר באיתות של הבזקי אור, המוצפן
בשיטה המבוססת על מפתח גלוי לחלוטין, ואף על פי כן, אין כל אפשרות
לשבור אותה, ויותר מזה :כל ניסיון לצותת למסרים המוצפנים, מתגלה
מייד, ללא צורך בשימוש במתקנים מיוחדים לגילוי ציתות. ציתות סביל,
המתבטא במדידת קיטובם של הפוטונים המשודרים, גורם מייד, באופן בלתי
נמנע, לשינוי בהתאמה שבין כיווני הקיטוב של הפוטונים ה"אחים", אפילו
הם רחוקים מאוד זה מזה.
בשידור הראשון יוצרים המשדר והקולט את המפתח, המאפשר להם לפענח
את השדרים המאוחרים יותר. לשם כך שניהם מנסים לקלוט את הפוטונים
המקוטבים הנפלטים מה"משדר". אבל, תוך כדי ניסיונות קליטה, הם
מסובבים ומשנים ללא הרף ובאופן אקראי את המסננים המקטבים שלהם.
לאחר מכן, מתקשר המשדר אל הקולט (או להיפך) בטלפון הגלוי,
ואומר לו, באיזה כיוון ניצבו המסננים המקטבים שלו, בכל רגע של
השידור. למידע הזה אין שום משמעות מבחינתו של המצותת, מכיוון שרק
הקולט והמשדר יודעים מתי קלטו פוטונים (ואיזה). השילוב של פוטונים
המגיעים כאשר כיווניהם של מסנני הקולט והמשדר מקבילים, עם פוטונים
המגיעים כאשר המסננים שלהם אינם מקבילים זה לזה (המהווים "רעש"
טבעי או מכוון למטרת הטעיה), יוצר מעין "סולם" בעל שלבים חסרים.
סולם זה, הוא ה"מפתח" שלפיו מוחקים מהסדרה של האותות המשודרים, את
השיבושים (הטבעיים והמכוונים כאחד), עד שנותרים רק האותות נושאי
המידע. במפתח זה אפשר להשתמש להצפנת ולפיענוח מסרים שונים. למעשה,
תורת הקוונטים משמשת כאן להצפנה בטכניקה דומה לזו שלפיה משוחחים
ילדים ב"שפת הבי"ת: הם מכניסים במסרים המילוליים שלהם שיבושים ,
שרק מי שיודע את המפתח להכנסתם, יכול להסירם בקלות. וכך, במקום
לומר "אני אוהב אותך", אומר המצפין "אבניבי אובוהבב אובותבך". ורק
המבין יבין.
