שזירה קוונטית

שזירה קוונטית היא תופעה במכניקת הקוונטים, כלומר בחוקי העולם הזעיר, שבה מדידה או פעולה על חלק אחד של מערכת משפיעה מיד על חלק אחר של אותה מערכת. זה קורה גם אם החלקים מרוחקים ואינו מאפשר העברת מידע שגרתי ביניהם. היו שראו את זה כ"פעולת רפאים ממרחק" לפי איינשטיין. התופעה מהווה בסיס לטכנולוגיות קוונטיות מודרניות, כמו מחשבים קוונטיים ותקשורת קוונטית.

את הרעיון העלו לראשונה אלברט איינשטיין, בוריס פודולסקי ונתן רוזן במאמר ה־EPR, כדי להראות קושי בפרשנות של מכניקת הקוונטים. אחר כך ארוין שרדינגר טבע את המונח "שזירה" (Verschränkung). במשך שנים הראו שזירה רק בחלקיקים זעירים. לאחרונה הצליחו להדגים שזירה גם בחלקיקים גדולים יותר, כמו רסיסי אלומיניום בעובי קרוב לשערה, וזה פותח אפשרויות טכנולוגיות.

אפשר לבחון שזירה בעזרת מדידות של מתאמים ידועים כ"אי-שוויוניות בל" (Bell). אי-שוויוניות אלה בוחנות האם התנהגות המערכות ניתנת להסבר במודל מקומי-ריאליסטי קלאסי. במכניקה קוונטית שזירה מתוארת על ידי פונקציית גל שלא ניתנת לכתיבה כמכפלה של חלקים נפרדים. פירוק שמידט (שיטה מתמטית לפירוק מצב) מראה אם יש יותר ממקדמים אחדים, סימן לשזירה. בשנת 2022 הוענק פרס נובל על ניסויים בפוטונים שזורים שהדגימו הפרה של אי-שוויון בל והשפיעו על מדע המידע הקוונטי.

מצב טהור הוא מצב קוונטי שמתואר על ידי פונקציית גל. מצב מעורב הוא תערובת של מצבים טהורים ומיוצג על ידי מטריצת צפיפות, שהיא תיאור מתמטי כללי יותר. מצב בין שני צדדים נקרא פריק (separable) אם אפשר לכתוב אותו כסכום של מצבי מכפלה פשוטים; אם לא, הוא שזור. כלומר שזירה לא תמיד נראית רק בפונקציות גל טהורות.

מבחן פרס (Peres) משתמש בפעולה מתמטית שנקראת טרנספוזיציה חלקית. אם הטרנספוזיציה החלקית של מצב נותנת מטריצה עם ערך עצמי שלילי, המצב הוא בהכרח שזור. זהו תנאי מספיק לשזירה, אך לא תמיד גם הכרחי. יש מצבים שזורים שלא יגלו זאת במבחן זה; אלה נקראים מצבים שזורים מוגבלים (bound entangled).

עד שזירה (entanglement witness) הוא אופרטר שמבדיל בין מצבים פריקים ומצבים שזורים. אם הערך שלו שלילי עבור מצב מסוים, המצב שזור. למשל אופרטור ההחלפה (swap) יכול לעבוד כעד עבור מצב הבל-סינגלט, כי הוא נותן תוצאה שלילית עבורו ולתוצאה לא שלילית לכל מצב מכפלה פשוט.

מחשב קוונטי מנצל תופעות קוונטיות כדי לעבד מידע באמצעות אלגוריתמים קוונטיים. בשדה הזה שזירה נחשבת למרכיב מרכזי, כי היא מאפשרת מתאמים וקשרים בין קיוביטים (קיוביט הוא יחידת מידע קוונטית).

הצפנה קוונטית משתמשת בשזירה כדי לבדוק אם מישהו האזין. מצבים שזורים משמשים גם להחלפת מפתחות קוונטית בטוחה. בניסוי חשוב ב־29 במאי 2014 ב־TU Delft הוצגו תוצאות שפיתחו אפשרות להעברת מידע מוגן מידית בין שני מחשבים, ללא תלות במרחק.

שזירה נראית כמו העברת מידע מהירה, אך אי אפשר להשתמש בה כדי לשלוח הודעות מהר יותר מהאור. עם זאת ניתן "לטלפורט" מצב קוונטי בעזרת זוג שזור וערוץ קלאסי. בתהליך כזה משתמשים בזוג בל לכל קיוביט ומשדרים שתי סיביות קלאסיות בלבד, כך שהקצב המשותף מוגבל למהירות האור.

ניסויים משתמשים בקרן לייזר אולטרה־סגולה (אור מאד אנרגטי) שמוקרנת על גביש בטא בריום בוראט, חומר שאינו ליניארי אופטית. לעיתים נדירות פוטון מהלייזר מתפרק לשניים (זוג פוטונים) שאפשר למצוא בצורת חרוטים מנוגדים. ההסתברות לכך קטנה מאוד, אך מכל הזוגות שנוצרים חלק מהם יהיו שזורים.

שזירה קוונטית היא קישור מיוחד בין חלקיקים. אם מודדים חלקיק אחד, מצב החלקיק השני נקבע מיד. זה קורה גם כשהחלקיקים רחוקים מאוד. איינשטיין קרא לזה "פעולה רפאית".

מדענים כמו איינשטיין וצוותו הרימו שאלות על הרעיון הזה. אחר כך שרדינגר קרא לתופעה "שזירה". בזמן האחרון ראו שזירה גם בחלקיקים יחסית גדולים.

מדענים בודקים שזירה בעזרת ניסויים שנקראים בדיקות של אי-שוויוניות בל. אלה בודקות אם ההתנהגות אפשרית בהסבר פשוט.

מצב טהור הוא מצב יחיד. מצב מעורב הוא תערובת של מצבים. אם אפשר לכתוב מצב כסכום של מצבים פשוטים, הוא לא שזור. אם אי אפשר, הוא שזור.

יש מבחן מתמטי שנקרא מבחן פרס. הוא מגלה הרבה מצבים שזורים. אבל לא את כולם.

עד שזירה הוא כלי שמסייע להראות שמצב הוא שזור. יש אופרטורים מתמטיים שעושים את זה, למשל אופרטור שמחליף חלקיקים.

מחשבים קוונטיים משתמשים בתכונות קוונטיות. שזירה חשובה בשביל הקשרים בין קיוביטים. קיוביט הוא יחידת מידע קוונטית.

בשזירה אפשר לבדוק אם מישהו מאזין להודעות. זה עוזר ליצור תקשורת מוצפנת.

בטלפורטציה קוונטית מעבירים את המצב של מערכת למערכת מרוחקת. משתמשים בזוג שזור ובשידור קלסי. עדיין אי אפשר לשלוח מידע מהר יותר מהאור.

ניסויים מקרינים אור אולטרה־סגול על גביש מיוחד בשם בטא בריום בוראט. לפעמים פוטון אחד מתפרק לשני פוטונים. הם יוצאים לכיוונים מנוגדים. רק חלק קטן מהזוגות האלה יוצאים שזורים.