קובייה קוונטית: מכשיר היוצר מספרים אקראיים באמת
19/09/2010

מבוסס על:

בעולם של הפיזיקה הקלאסית כל אירוע, למשל תוצאה של זריקת קובייה או תוצאה של משחק ברולטה, יכול להיות מנובא.
חוקרים במכון מקס פלנק שבגרמניה יצרו מכשיר המתבסס על עקרונות של אקראיות אמיתית. המכשיר מייצר מספרים אקראיים שאינם ניתנים לחיזוי מראש, וזאת בעזרת עקרונות  המבוססים על תורת הקוונטים. המחקר פורסם בז'ורנל Nature Photonics  היוצא לאור באינטרנט.
מספרים אקראיים שימושיים למשל באבטחה של קידודים כאשר מועבר מידע בנקאי, בסימולציות (הדמיות) של תהליכים כלכליים שתוצאותיהם תלויות בהסתברויות מסוימות, ובסימולציות של שינויי אקלים.
בחיי היומיום, התופעות אליהן אנו מתייחסים כאקראיות, הן למעשה תופעות  שחסר לנו מידע לגביהן. אם היינו יודעים בוודאות את המיקום, המהירות ועוד מאפיינים קלאסיים של כל החלקיקים ביקום, היינו יכולים לנבא כמעט את כל התהליכים שיתרחשו בחיי היומיום. ניתן היה לנבא אפילו את התוצאות של הגרלת הלוטו!
לדוגמה, כאשר מחשב מתוכנת להפיק מספרים אקראיים, התוצאה שהוא מספק אינה אקראית כלל. המחשב מדמה אקראיות באמצעות תבנית שמפיקה מספרים שקשה לראות את החוקיות שבה, אך החוקיות קיימת.
לעומת זאת, על פי תורת הקוונטים, תוצאות של מדידות הן בעלות הסתברות מסוימת, כלומר אינן יכולות להיקבע מראש.
כדי לספק אקראיות אמיתית, פיתחו קבוצות החוקרים במכון מקס פלנק ובאוניברסיטה הטכנית של דנמרק מכשיר המייצר מספרים אקראיים אמיתיים. תופעה זו של אקראיות אמיתית קיימת, כאמור, בעולם הקוונטי. המדענים ניצלו את הפלקטואציות הקוונטיות הקיימות בריק בתור "קובייה קוונטית".
מהן פלקטואציות קוונטיות בריק (או רעש קוונטי)? למעשה, גם בריק קיימים חלקיקים. פלקטואציות קוונטיות בריק הם מצבים שבהם נוצרים זוגות חלקיקים לזמן קצר מאד ונעלמים. החלקיקים יכולים להיווצר לפרק זמן קצר מאד, כך שלא יופר עיקרון אי הוודאות של הייזנברג הקובע ש: ΔtΔE ≈ ћ. כלומר: לפרק זמן Δt קטן מאד, יכולים להיווצר זוגות של חלקיק ואנטי חלקיק בעלי אנרגיה ΔE (בערך מוחלט) גם במצב של ריק. חלקיקים כאלו נקראים חלקיקים וירטואליים. יצירה זו של חלקיקים וירטואליים ניתנת לגילוי רק כאשר מחפשים אותה, או במילים אחרות-כאשר מודדים אותה.
כדי לגלות את הקרינה הזו מפצלים קרן לייזר חזקה לשני חלקים שווים על ידי מפצל קרניים (מפצל קרניים הוא מתקן המאפשר לחלק מהקרן הפוגעת לעבור, בעוד חלק אחר מוחזר, למשל-מראה מחזירה חלקית). למפצל הקרניים יש שני פתחי כניסה ושני פתחי יציאה. החוקרים מכסים את אחד מפתחי הכניסה על מנת לחסום את הקרן הנכנסת דרכו, אך פוטונים וירטואליים הנוצרים כתוצאה מפלקטואציות קוונטיות שנוצרות בצד החסום משפיעים על הקרניים היוצאות משני פתחי היציאה (נוצרת התאבכות בין הקרן העוברת לבין הפוטונים הוירטואליים, שיכולה להיות בונה עבור פתח יציאה אחד והורסת עבור פתח היציאה השני).
הפוטונים היוצאים מפתחי היציאה נשלחים לגלאים, שם כל פוטון מייצר אלקטרון כתוצאה מהאפקט הפוטואלקטרי, וכך נוצר זרם חשמלי. את הזרם הזה מודדים. כאשר מפחיתים את עוצמות הזרמים המתקבלות משני פתחי היציאה זו מזו לא מקבלים אפס בגלל ההתאבכויות. עצמה זו של הזרם המתקבלת היא אקראית לחלוטין.
הסיבה שבה בחרו החוקרים לייצר מספרים אקראיים על ידי שימוש בפלקטואציות הקוונטיות בריק ולא בדרכים אחרות היא שבכל מערכת מתווסף לפלקטואציות הקוונטיות גם רעש קלאסי אשר איננו אקראי. במערכת הנוכחית החוקרים הצליחו לבודד את הרעש הקלאסי וכך להפחיתו בחישוב. בנוסף, בתהליך זה, בניגוד לתהליכים קוונטיים אחרים, לא ניתן לעקוב אחרי המספרים הנוצרים, וכך נמנע החשש מריגול.
למרות התחכום שבשיטה, אין צורך בציוד מתוחכם כדי ליישמה. זו הסיבה העיקרית לכך שחברות מסוימות כבר הביעו עניין ברכישת הטכנולוגיה הזו על מנת לעשות בה שימושים מסחריים.