פריצת דרך קוונטית כפולה: פיזיקאים מאוקספורד שולטים ביונים בודדים ליצירת מצבים בלתי אפשריים

קבוצת הפיזיקה של יונים לכודים באוניברסיטת אוקספורד דוחפת כבר שנים את גבולות השליטה הקוונטית. אך שתי פריצות הדרך שדווחו באביב ובתחילת הקיץ של 2026 בולטות במיוחד. בהפרש של שבועות זה מזה, פרסם הצוות תוצאות בכתבי העת Nature Physics ו-Physical Review X, המרחיבות את מה שניתן לעשות עם יון אטומי בודד – החל מיצירת אפקט קוונטי מסדר רביעי חמקמק, ועד לבניית סוגים חדשים לחלוטין של מצבי סופרפוזיציה. שני הניסויים סובבים סביב אותה פלטפורמה, אך פותרים בעיות שונות ופותחים דלתות טכנולוגיות נפרדות.

סחיטה מרובעת: העלאת רוח רפאים מסדר רביעי אל האור

סחיטה קוונטית רגילה (squeezing) היא טכניקה מסדר שני המעצבת מחדש את אי-הוודאות כדי לשפר את דיוק המדידה – חשבו עליה כדחיסת רעש בכיוון אחד על חשבון הרחבתו באחר. במשך עשרות שנים, סחיטה שיפרה גלאי גלי כבידה ושעונים אטומיים. ללכת מעבר לכך, לסחיטה מסדר רביעי, היה פשוט תאורטית אך בלתי נגיש ניסיונית, משום שרעש שהיה זניח בסדרים נמוכים הפך למכריע .

במאי 2026, צוות בהובלת אוקספורד, שכלל את ד"ר אואנה בזאבן, פרופסור דייוויד לוקאס וד"ר דייוויד נדלינגר, שינה זאת. על ידי הפעלת רצף של כוחות מבוקרים על יון סידן בודד התלוי במלכודת שדה חשמלי, ושילובם בסדר מסוים, הם יצרו סחיטה מרובעת – מתאם קוונטי מסדר רביעי המתבטא כהסתבכות בין ארבעה מצבי תנועה נפרדים – במהירות חסרת תקדים. השיטה הפיקה אפקטים אלו פי 100 מהר יותר משיטות קונבנציונליות והפכה אותם לניתנים לצפייה לראשונה .

התובנה המתודולוגית המרכזית הייתה הפשטות: במקום להוסיף שכבות של חומרה אקזוטית, הצוות השתמש בכלים קיימים של יונים לכודים ברצף שבודד את האות מסדר רביעי מהרעש שקבר אותו קודם לכן . התוצאה, שפורסמה ב-Nature Physics, מסמנת את התצפית הניסיונית הראשונה באפקטי הסתבכות קוונטית מסדר רביעי .

מדוע זה משנה. סחיטה מרובעת מספקת כפתור רגיש יותר למטרולוגיה קוונטית, שכן מתאמים מסדר גבוה יכולים לנצח את הגבול הקוונטי הסטנדרטי בפערים רחבים יותר. היא גם פותחת נתיב להנדסת מצבים קוונטיים מורכבים המשמשים כאבני בניין למחשוב קוונטי עמיד לתקלות ולדור הבא של החיישנים .

חתולי שרדינגר הבנויים מהמוזר, לא מהפשוט

פריצת הדרך השנייה נחתה ביוני 2026 ב-Physical Review X. מצבי סופרפוזיציה קוונטית – המכונים לעיתים קרובות מצבי חתול שרדינגר – מורכבים בדרך כלל מחבילות גל קוהרנטיות רגילות, האנלוג הקוונטי הקרוב ביותר למסלול קלאסי. אולם, צוות אוקספורד שאל שאלה אחרת: מה אם כל חלק בסופרפוזיציה היה בעצמו לא-קלאסי מטבעו?

באמצעות התנועה של יון לכוד בודד, בנו החוקרים סופרפוזיציות שבהן שני הרכיבים החופפים היו מצבים סחוטים – תצורות קוונטיות שבהן אי-הוודאות כבר מחולקת מחדש בצורה מנוגדת לאינטואיציה. על ידי תכנות מצבו של היון בדיוק רב, הם פיסלו סופרפוזיציות מורכבות וא-סימטריות שלא היו ניתנות להשגה קודם לכן .

השיטה מעניקה לפיזיקאים שליטה ניתנת לתכנות על הצורה והמאפיינים של מצב החתול. במצבי חתול קונבנציונליים, אי-הוודאות הקוונטית נראית זהה בשני הענפים; כאן, היא שונה, ויוצרת מבנה התאבכות עשיר יותר שניתן לרתום לתיקון שגיאות ולניסויים בסיסיים במכניקת הקוונטים .

מדוע זה משנה. תיקון שגיאות קוונטי מסתמך על קידוד מידע במצבים עמידים בפני רעש. יצירת סופרפוזיציות מרכיבים לא-קלאסיים, כמו מצבים סחוטים, עשויה לייצר קיוביטים לוגיים (יחידות החישוב הבסיסיות במחשב קוונטי) עמידים יותר מטבעם. העבודה גם מחדדת את שדה הניסוי לשאלות יסוד על דה-קוהרנטיות (איבוד התכונות הקוונטיות) והמעבר מקוונטי לקלאסי .

מדוע דווקא יון לכוד בודד?

שתי פריצות הדרך חולקות במה משותפת: יון לכוד בודד – ככל הנראה איזוטופ של סידן או סטרונציום – המוחזק כמעט ללא תנועה על ידי שדות חשמליים בתדר רדיו. יון לכוד משלב שתי מערכות קוונטיות שונות: מצב אלקטרוני פנימי מבודד היטב המשמש כקיוביט, ואופני תנועה הניתנים לקירור לייזר עד למצב היסוד הקוונטי. אופי כפול זה הופך יונים לפלטפורמה אידיאלית ליצירה וניתוח של מצבים קוונטיים מורכבים .

חשוב לציין, קבוצת מלכודת היונים של אוקספורד משכללת פלטפורמה זו כבר שנים. ביוני 2025, אותה קבוצה קבעה שיא עולם בנאמנות שער של קיוביט בודד (דיוק פעולה לוגית בסיסית), והשיגה שיעור שגיאה של 0.000015% בלבד, או טעות אחת בכל 6.7 מיליון פעולות . שליטה קיצונית זו על קיוביטים בודדים היא הבסיס שאפשר את תוצאות הסחיטה המרובעת ומצבי החתול של 2026.

---

סחיטה מרובעת ומצבי חתול ניתנים לתכנות לא יופיעו מחר במחשב קוונטי מסחרי. אך יחדיו, הן ממלאות שני פערים שונים בארגז הכלים הקוונטי: האחד מספק נתיב מהיר ונקי יותר להסתבכות מסדר גבוה עבור חישה ומטרולוגיה, בעוד האחר מספק דרך חדשה לעצב מידע לתיקון שגיאות. שתיהן מראות שיון בודד בשליטה טובה נותר אחת הפלטפורמות המגוונות ביותר לחקר – ולניצול – הכללים העמוקים ביותר של הפיזיקה הקוונטית.