מרטין ריס

חתן פרס וולף בפיזיקה 2024

מרטין ריס 

 

שייכות בעת הענקת הפרס:

אוניברסיטת קיימברידג', אנגליה

 

נימוק למתן הפרס:

"על תרומותיו החלוציות לאסטרופיזיקה של אנרגיות גבוהות, יצירת גלקסיות ומבנים ביקום, וקוסמולוגיה".

 

שותפים לפרס:

ללא שותפים

 

לורד מרטין ריס Lord Martin Rees (נולד באנגליה בשנת 1942) הוא אחד מן הפיזיקאים התיאורטיקנים הידועים ביותר בני זמנינו שלו תרומות מדעיות רבות, פורצות דרך, בתחום האסטרופיזיקה, החל מקוסמולוגיה ותהליכי יצירת כוכבים וגלקסיות ביקום הקדום, ועד לתהליכים בסיסיים בתחום האסטרופיזיקה של אנרגיות גבוהות, יצירה והתפתחות של חורים שחורים מאסיביים במרכזי גלקסיות, והדרך בה נעים ומתפרקים כוכבים בסביבתם של חורים שחורים כאלה. תרומות אלה עצבו את תמונת היקום בו אנו חיים.
כסטודנט וחוקר צעיר בעל רקע רחב במתמטיקה גילה ריס עניין רב בתחום האסטרופיזיקה אשר היה, בשנים ההן, מן התחומים המתפתחים ביותר של המדע והניב שפע של תופעות ותצפיות חדשות שחלקן הגדול המתין עדיין להסבר. משרתו הראשונה כפרופסור באוניברסיטת סאסקס שבאנגליה בשנת 1973, הובילה את ריס מאוחר יותר למכון האסטרונומי בקיימברידג' שם כיהן במשרה היוקרתית של פרופסור-פלומיאן לאסטרונומיה ולפילוסופיה, והיה מנהלו של המכון והמאסטר של טריניטי-קולג'. מאוחר יותר התקבל ריס כחבר בחברה המלכותית (האקדמיה הבריטית למדעים) וכיהן כנשיא החברה במשך עשור. בשנת 2005 התקבל ריס לבית הלורדים הבריטי והחל משנת 1995 הוא נושא בתואר הכבוד "האסטרונום המלכותי (Astronomer Royal) של הממלכה המאוחדת" .
עבודותיו ותגליותיו של מרטין ריס עיצבו במידה רבה את הבנת היקום בו אנו חיים. בתחום הקוסמולוגיה הוא ידוע כראשון שהציע מדידות קיטוב של קרינת הרקע הקוסמית כמכשיר מרכזי לפענוח מקור התנודות המרחביות של קרינה זו, וכמפתח להבנת תהליכי יסוד ביקום הקדום. הוא היה גם מאבות התחום הידוע היום כקוסמולוגיה של קרינת 21 ס"מ מאטומי מימן ניטרלי – מכשיר מרכזי להבנת היקום בתקופה שקדמה ליצירת הכוכבים הראשונים. עבודות נוספות של ריס הקשורות ליקום הצעיר נוגעות בתהליכי היצירה של הכוכבים הראשונים והגלקסיות הראשונות. ריס פעל ופרסם רבות בתחום האסטרופיזיקה של אנרגיות גבוהות. הוא חקר והסביר התפרצויות קוסמיות בתחום קרינת גמא הנגרמות על ידי התמזגות כוכבי ניוטרונים והתפוצצויות סופר נובות. הוא הציע גם מנגנונים ייחודיים להסבר תופעת סילוני הגז היחסותי הנצפים בגלקסיות רדיו ענקיות. עבודותיו התיאורטיות אושרו בהמשך על ידי מצפי רדיו חדישים וטלסקופי חלל בתחום קרינת גמא. תחום מרכזי נוסף בו עסק ריס במשך שנים רבות הוא מחקר תיאורטי של חורים שחורים מסיביים במרכזי גלקסיות. הוא הציע מנגנונים שונים ליצירת חורים שחורים כאלה, לגידולם והתפתחותם בזמן, ולדרך בה התפתחות זו משפיעה על התפתחות הגלקסיות בהן הם שוכנים. תחזיותיו השונות נצפו ואושרו באמצעות טלסקופי ענק מתקדמים על הקרקע ובחלל. תהליכים אחרים אותם חקר והסביר ריס הם התנגשויות ומיזוגים של חורים שחורים ותהליכי קריעה והשמדה של כוכבים בודדים עקב כוחות גאות ושפל בסביבתם של חורים שחורים מסיביים.
פרופסור ריס ידוע כבעל יכולת נדירה להסביר נושאים מדעיים סבוכים לקהל הרחב. במשך השנים הוא נשא מאות הרצאות וראיונות ופרסם מספר רב של מאמרים וספרים פופולאריים בנושאים של מדע בן זמנינו. כותרת ספרו האחרון משנת 2022 היא "אם המדע יוכל להציל אותנו" (If Science is to Save Us). בשנים האחרונות הוא משקיע חלק ניכר מזמנו בקידום נושאי קיימות, שימור הסביבה ועתידו של המין האנושי. בין השאר הוא היה אחד ממייסדי המכון הרב-תחומי של אוניברסיטת קיימברידג' לחקר סיכון קיומי ולטיפוח קהילה גלובלית להגנת המין האנושי.
פרס וולף מוענק למרטין ריס על תרומות חלוציות בעיצוב תמונת היקום בת זמנינו. תרומותיו הבולטות נעות מאסטרופיזיקה של אנרגיות גבוהות לרבות מנגנונים להתפרצויות קרני גמא, סילוני רדיו רבי עוצמה ויצירת חורים שחורים בגרעיני גלקסיות, ועד להבנת הפיזיקה של הכוכבים הראשונים, והיווצרות המבנים הגדולים והגלקסיות הראשונות בתום "העידן האפל". הוא היה הראשון שהציע מדידות קיטוב ככלי לחקר מקורן של התנודות בקרינת הרקע הקוסמית (CMB) והיה מיוזמי תחום הקוסמולוגיה של 21 ס"מ.

פרנץ קראוס

זוכה פרס וולף בפיזיקה 2022

פרנץ קראוס

שייכות בעת הענקת הפרס:

מכון מקס פלאנק לאופטיקה קוונטית, גרמניה

 

נימוק למתן הפרס:

"על תרומות חלוציות למדע הלייזר האולטרה-מהיר ולפיזיקה של אטו-שניות".

 

שותפים לפרס:

פרנץ קראוס

אן ל'הולייר

פול ברוס קוֹרְקְם

 

"על עבודה חלוצית וחדשנית בתחום המדע של לייזרים אולטרה-מהירים והפיזיקה של אטו-שניות, ועל הדמיה בהפרדה זמנית גבוהה המאפיינת תנועה של אלקטרונים באטומים, מולקולות ומוצקים. שלושת הזוכים תרמו תרומות מכריעות הן לפיתוח הטכנולוגיה של פיזיקת האטו-שניות והן ליישומה לצרכי מחקר בסיסי בתחום הפיזיקה".

 

קראוס, פיזיקאי הונגרי-אוסטרי שצוות המחקר שלו היה הראשון לייצר ולמדוד פולס אור של מספר אטו-שניות בו השתמש בהמשך למעקב אחר תנועת של אלקטרונים בתוך אטום.

קראוס קיבל תואר שני בהנדסת חשמל בשנת 1985 באוניברסיטת בודפשט לטכנולוגיה. את הדוקטורט שלו באלקטרוניקה קוונטית מהאוניברסיטה הטכנולוגית של וינה השלים בהצטיינות בשנת 1991 , ואת הפוסט דוקטורט שלו סיים באותה אוניברסיטה בשנת 1993 . בשנת 1998 הוא הצטרף למחלקה להנדסת חשמל באותה האוניברסיטה והועלה לדרגת פרופסור מן המניין שנה לאחר מכן. בשנת 2003 הוא מונה למנהל במכון מקס פלנק לאופטיקה קוונטית בגרשינג (Garching), גרמניה. החל משנת 2004 הוא מכהן גם כפרופסור לפיזיקה ויו"ר קבוצת הפיזיקה הניסויית באוניברסיטת לודוויג מקסימיליאן שבמינכן.

קראוס התעניין תמיד בחקר ממדים קטנים יותר ויותר של מרחב וזמן. עוד בתחילת שנות ה- 90, כשעבד על הדוקטורט שלו באוניברסיטה הטכנולוגית של וינה, הוא התרשם מהרעיון לעשות זאת על ידי שימוש בפולסי אור קצרים של לייזרים פועמים חדישים. פעימות האטו-שניות הראשונות נוצרו ונמדדו על ידי קראוס וקבוצת המחקר שלו בתחילת שנות ה- 2000. עבודה זו אפשרה לו לבצע, בפעם הראשונה, תצפיות בזמן אמת של תנועות אלקטרונים בתוך אטומים. כיום אנו משתמשים בפולסים כאלה כדי להבין טוב יותר, וגם לשנות, תהליכים מיקרוסקופיים שונים באטומים ומולקולות.

עבודת המחקר של קראוס במכון מקס פלאנק כוללת מספר יישומים חדשים ומלהיבים. יחד עם קבוצת המחקר שלו, הוא מנסה להשתמש בטכנולוגיה של פמטו-שנייה ואטו-שניה כדי לנתח דגימות דם ולזהות שינויים זעירים בהרכבן. מטרת המחקר היא לבדוק האם שינויים כאלה יכולים לאפשר אבחון מדויק של מחלות כבר בשלביהן הראשונים.

פרנץ קראוס הראה כי משכי הפעימות ההרמוניות הינם בתחום האטו-שניות. הוא תרם לבניית לייזר עם פעימות בנות מספר מחזורים וחקר את התלות בזמן של תהליכים פיזיקליים רבים באטומים ומולקולות.
קראוס הבין את ההיתכנות של ניסויים עם רזולצית זמן בתחום האטו-שניות. הדבר אפשר לעקוב אחר תהליך הפוטו-יינון בזמן אמת והוכיח ניסויית את מה שידוע כ"עיכוב וויגנר" בתהליך פליטת אלקטרונים מאטומים ומולקולות כתוצאה מאינטראקציה עם פוטונים

 

 

אן ל'הולייר

כלת פרס וולף בפיזיקה 2022

אן ל'הולייר

 

שייכות בעת מתן הפרס:

אוניברסיטת לונד, שוודיה

 

נימוק למתן הפרס:

"על תרומות חלוציות למדע הלייזר האולטרה-מהיר ולפיזיקה של אטו-שניות".

 

שותפים לפרס:

אן ל'הולייר

פול ברוס קוֹרְקְם

פרנץ קראוס

 

"על עבודה חלוצית וחדשנית בתחום המדע של לייזרים אולטרה-מהירים והפיזיקה של אטו-שניות, ועל הדמיה בהפרדה זמנית גבוהה המאפיינת תנועה של אלקטרונים באטומים, מולקולות ומוצקים. שלושת הזוכים תרמו תרומות מכריעות הן לפיתוח הטכנולוגיה של פיזיקת האטו-שניות והן ליישומה לצרכי מחקר בסיסי בתחום הפיזיקה".

 

אן ל'הולייר, נולדה בפריז ומכהנת היום כפרופסור לפיזיקה אטומית באוניברסיטת לונד שבשוודיה, שם היא מובילה את ממחקריה פורצי הדרך. ל'הולייר עוסקת בתחום של פעימות (פולסים) של לייזרים מהירים ועבודתה מתמקדת באינטראקציה בין פעימות אור קצרות ואינטנסיביות לאטומים. לדבריה, אחד ממקורות ההשראה שלה, בימי ילדותה, הייתה "אפולו 11", משימת החלל הראשונה להנחתת אדם על הירח, בשנת 1969. היא הושפעה רבות גם מסבה, שהיה פרופסור להנדסת חשמל ועבד על תקשורת
בתחום הרדיו. אלה ואחרים הביאו להתלהבותה הרבה ממדע וטכנולוגיה כבר בגיל צעיר, מה שהפך אותה מאוחר יותר למדענית בולטת ומנהיגה בתחום הפיזיקה של אטו-שניות.

לל'הולייר תואר ראשון במתמטיקה ותואר שני כפול בפיזיקה תיאורטית ומתמטיקה מאוניברסיטת פייר ומארי קירי בפריז. בהמשך, שינתה כיוון לתחום הפיזיקה הניסויית ואת הדוקטורט השלימה בשנת 1986 , באוניברסיטת פייר השישי. את פוסט הדוקטורט שלה רכשה ל'הולייר בשנת 1986 במכון צ'למרס לטכנולוגיה שבגטבורג, שוודיה, וקיבלה משרה קבועה כחוקרת ב- (CEA) French Alternative Energies and Atomic Energy Commission. בשנת 1987 השתתפה ל'הולייר בניסוי בו נצפו לראשונה הרמוניות גבוהות באמצעות מערכת לייזר פיקו-שנייה. היא הוקסמה מהניסוי והחליטה להקדיש את זמנה לעבודה בתחום מחקר זה. בשנת 1988 המשיכה את הפוסט דוקטורט שלה באוניברסיטת קליפורניה, לוס אנג'לס. בהמשך עברה לאוניברסיטת לונד שבשוודיה שם הפכה לפרופסור מן המניין בשנת 1997. ב 2004- נבחרה ל'הולייר לחברה באקדמיה המלכותית השוודית למדעים.

אן ל'הולייר זוכה בפרס על היותה בין הראשונים להדגים באופן נסיוני יצירה של הרמוניות גבוהות, התהליך הגורם ליצירת פעימות של אטו-שניות, ותרמה משמעותית לפיתוח ההסבר התיאורטי של תהליך זה. היא גם ביצעה מספר ניסויים מכריעים אשר שיפרו את ההבנה של התהליך והייתה שחקנית מפתח ביצירת תחום המחקר של מדע האטו-שניות.

 

פול ברוס קוֹרְקְם

חתן פרס וולף בפיזיקה 2022

פול ברוס קוֹרְקְם

 

שייכות בעת מתן הפרס:

אוניברסיטת אוטווה, קנדה

 

נימוק למתן הפרס:

"על תרומות חלוציות למדע הלייזר האולטרה-מהיר ולפיזיקה של אטו-שניות".

 

שותפים לפרס:

פול ברוס קוֹרְקְם

פרנץ קראוס

אן ל'הולייר

 

"על עבודה חלוצית וחדשנית בתחום המדע של לייזרים אולטרה-מהירים והפיזיקה של אטו-שניות, ועל הדמיה בהפרדה זמנית גבוהה המאפיינת תנועה של אלקטרונים באטומים, מולקולות ומוצקים. שלושת הזוכים תרמו תרומות מכריעות הן לפיתוח הטכנולוגיה של פיזיקת האטו-שניות והן ליישומה לצרכי מחקר בסיסי בתחום הפיזיקה".

 

קורקם, פיזיקאי קנדי, מנהיג וחלוץ בתחום ספקטרוסקופיית לייזר אולטרה-מהירה. עבודתו המדעית במשך שלושה עשורים היוותה מקור לתובנות משמעותיות שהובילו לפריצות הדרך האחרונות בתחום זה. קורקם ידוע בעיקר בזכות תרומתו יוצאת הדופן לתחום יצירת הרמוניות גבוהות ובניית מודלים אינטואיטיביים שתרמו להסבר התופעות המורכבות של הספקטרוסקופיה של אטו-שניות.

קורקם נוהג לציין שהוא חב את הקריירה שלו למורה לפיזיקה שלו מהתיכון, אנתוני קנט, אשר דחף אותו להוכיח כל דבר. לדבריו, זה בדיוק מה שפיזקאי אמור ורוצה לעשות. קורקם גדל בסנט ג'ון, ניו ברונסוויק, עיר נמל קטנה בחוף המזרחי של קנדה. כבנו של דייג וקפטן ספינת גרר, הוא בילה הרבה מזמנו סביב לסירות, מפליג עם אביו, לומד ומתקן סוגי מנועים שונים. הוא החל את הקריירה שלו כפיזיקאי תיאורטי והשלים את עבודת הדוקטורט בפיזיקה תיאורטית באוניברסיטת להיי (Lehigh) שבפנסילבניה, בשנת 1973 . כאשר נשאל במהלך ראיון לפוסט-דוקטורט במועצה הלאומית למחקר של קנדה (NRC) "מדוע אתה חושב שאתה יכול לעסוק גם בפיזיקה ניסויית?" יכול היה לענות על כך בבטחון כשהוא מסתמך על ניסיון הילדות שלו: "זו לא בעיה כלל. אני יכול לפרק לגמרי מנוע של מכונית, לתקן אותו ולהרכיב אותו בחזרה כך שזה יעבוד". הוא התקבל כחוקר מן המניין ובנה ב- NRC את אחת הקבוצות המפורסמות בעולם בתחום האטו-שניות. כיום, קוֹרְקְם מכהן כראש קתדרה למחקר באוניברסיטת אוטווה שבקנדה ומנהל את המעבדה לאטו-שנייה המשותפת ל- NRC ולאוניברסיטת אוטווה. קורקם הוא חבר האגודות המלכותיות של לונדון ושל קנדה וחבר-זר באקדמיה הלאומית למדע של ארה"ב, האקדמיה למדעים האוסטרית, והאקדמיה הרוסית למדעים.

פול קורקם ביסס את ההבנה של יצירת הרמוניות גבוהות בעזרת פיתוח מודל התנגשות חוזרת סמי-קלאסי. במסגרת מודל זה אלקטרון עובר מנהור בהשפעת שדה לייזר חזק, מואץ על ידי השדה ולבסוף עובר התנגשות עם היון המלווה בפליטה של הרמוניות גבוהות. ספקטרום ההרמוניות הנפלט רגיש לשינוי בזמן של המבנה האטומי או המולקולרי. הספקטרוסקופיה ההרמונית אפשרה לו להדגים את האפשרות לקבל תמונה של אורביטל מולקולרי בעזרת הליך שיחזור טומוגראפי.

 

ג'ורג'יו פריזי

חתן פרס וולף בפיזיקה 2021

ג'ורג'יו פריזי

 

שייכות בעת מתן הפרס:

אוניברסיטת רומא- ספיאנצה, איטלה

 

נימוק למתן הפרס:

"על תגליותיו פורצות הדרך במערכות לא מסודרות, פיזיקה של חלקיקים ופיזיקה סטטיסטית".

 

שותפים לפרס:

ללא שותפים

 

ג'ורג'יו פריזי, פרופסור לפיזיקה תיאורטית באוניברסיטת רומא- ספיאנצה ‘‘La Sapienza’’ , אשר מחקריו מתמקדים בתורת שדות קוונטים, מכניקה סטטיסטית ומערכות מורכבות.

מגיל צעיר, אביו של פריזי עודד אותו לעסוק ולהתפתח בתחום ההנדסה. אך לפריזי אשר מילדות גילה עניין רב ויכולת חזקה במתמטיקה היות שאיפות אחרות. פריזי הוקסם מהתיאורים שקרא בספרי מדע פופולרי ומדע בדיוני ומן ההרפתקנות שבמחקר וראה בפיזיקה את התחום בו ניתן למלא את האתגר האינטלקטואלי שלו ברמה הגבוהה ביותר. את לימודיו בפיזיקה סיים פריזי בשנת 1970 בזמן קצר ביותר שניתן, בהנחייתו של פרופ. ניקולה קביבבו. הישגיו של פריזי משתרעים על תחומים רבים בפיזיקה המודרנית ואף בתחום המודלים הביולוגיים. פריזי הוא מחברם של ספרים ומאמרים רבים ורעיונות שפתחו תחומי מחקר חדשים ואלפי מדענים מדי שנה מסתמכים על מכלול הרעיונות שפריזי הציג במחקריו.

פרס וולף לפיזיקה מוענק לג'ורג'יו פריזי על היותו אחד מהפיזיקאים התיאורטיים היצירתיים והמשפיעים ביותר בעשורים האחרונים. לעבודתו נודעת השפעה רבה על מגוון ענפים של מדעי הפיזיקה, לרבות פיזיקה של חלקיקים, תופעות קריטיות, מערכות לא מסודרות וכן תיאוריית האופטימיזציה ופיזיקה מתמטית. ב-1977, יחד עם אלטרלי, פריזי גילה את משוואת ההתפתחות המאפשרת לחשב במדויק כיצד קוורקים ו-גלואונים מתפלגים בפרוטון ובגרעין (שניהם התגלו בנפרד על-ידי יו ל. דוקשיתצר). עבודתו של פריזי היוותה מרכיב חיוני בניתוח המבנה היסודי של החומר בקנה המידה הקטן ביותר של המרחק שניתן לביצוע באמצעות פיזור עתיר-אנרגיה של חלקיקים אלמנטריים. התוצאות שאליהן הגיע שימשו בהכנת ובניתוח של ניסויים שבוצעו ב-Large-Hardon Collider (LHC), חיפושי חומר אפל ומשמשות כיום בתכנון ניסויים ב-Future Circular Collider.

בשורה נוספת של עבודות ראשוניות שביצע בין 1979 ל-1984, פריזי הציג את הקונספט של "שבירת הסימטריה של ההעתק" (Replica Symmetry Breaking) ויישם אותו למודלים של זכוכית ספין (המודל של שרינגטון-קירקפטריק) שבו לא קיים שום פרמטר סדר פשוט. האינטואיציה המדהימה שלו הובילה את פריזי לגילוי האופי הלא-ארגודי  של שלב הפרוסטרציה  בזכוכית ספין  שבו מתקיימים במקביל הרבה מצבים טהורים שאינם קשורים זה לזה באמצעות סימטריה,  זאת במבנה אולטרה-מטרי  שהנו לא-טריוויאלי במובהק. ההצעה של פריזי לארגון מחדש של החומר גרמה לשינוי דרך החשיבה בפיזיקה סטטיסטית והובילה ליישומים רבים במערכות לא מסודרות אחרות כגון זכוכית מבנית, רשתות עצביות ותיאורית אופטימיזציה קומבינטורית.

העבודה החדשנית ביותר שעשה יחד עם סורלאס (Sourlas) בחקר מעברי פאזה קוונטיים פתחה את האפשרות לזיהוי של מימוש בפועל של סימטריה הקרויה סופר-סימטריה במערכות חומר מעובה.

אלן מקדונלד

חתן פרס וולף בפיזיקה 2020

אלן ה. מקדונלד

 

שייכות בעת מתן הפרס:

אוניברסיטת טקסס אוסטין, ארה"ב 

 

נימוק למתן הפרס:

"על עבודתם החלוצית בתיאוריה וניסוי של גרפן דו-שכבתי מסובב".

 

שותפים לפרס:

אלן ה. מקדונלד

פבלו ג'רילו-הררו

רפי ביסטריצר

 

בשנת 2004 בודדה לראשונה שכבה דו-ממדית בעובי של אטום אחד של פחמן הקרויה "גרפן". מאז הולך וגובר העניין בשכבות כאלה ובחומרים דו-ממדיים והגרפן מהווה בסיס לדור חדש לחלוטין של חומרים וטכנולוגיות. התקווה היא שיישומים המבוססים על גרפן ייטיבו עם הסביבה ויוזילו עלויות. בתעשיית האלקטרוניקה והמחשבים נדרשים חומרים שניתן לשלוט בהולכה שלהם. מחקרים פורצי הדרך של החוקרים חרייו הררו, מקדונלד וביסטריצר, הראו כי ניתן לשלוט בתכונות ההולכה של צמתי גרפן באמצעות הזווית המרחבית שבין שכבות הגרפן וכי בזוויות מסוימות קיימת התנהגות פיזיקלית מפתיעה של האלקטרונים.

בשנת 2011 חקרה קבוצתו של אלן מקדונלד, פיזיקאי תיאורטי מאוניברסיטת טקסס, התנהגות מעניינת של לוחות גרפן דו-שכבתי מסובב המונחים זה מעל זה, כלומר במצב בו קיימת זווית מסוימת, קטנה, בין הלוחות. לפי חישוביהם של מקדונלד וביסטריצר (שעבד כפוסט-דוקטורנט עם מקדונלד באותה עת). מהירות המנהור של אלקטרונים בין השכבות תלויה בזווית הסיבוב בניהם ונעלמת לגמרי ב"זווית קסם" של 1.1 מעלות. התקווה הייתה שהדבר יוביל ליצירת על-מוליך חדש, כלומר חומר שמאפשר מעבר זרם חשמלי ללא התנגדות כלל וללא איבודי אנרגיה.

המאמר המקורי של מקדונלד וביסטריצר שתיאר את תגליתם לא זכה לתגובה אוהדת בעולם המדעי ואף נשכח במשך מספר שנים.  באותה תקופה עבד פרופ. חרייו-הררי על גרפן דו-שכבתי מסובב במעבדתו במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס. הוא השתכנע שיש ממש ברעיונות של מקדונלד וביסטריצר וקבוצת המחקר שלו השקיעה מאמץ רב ביצירת ובמדידת גרפן דו שכבתי מפותל בזויות שונות.

הניסיונות נשאו פרי כאשר נמצא כי הנחת השכבות בזווית של 1.1 מעלות האחת יחסית לשנייה, זווית המכונה "זווית הקסם", גורמת לתכונות חשמליות יוצאות דופן, בדיוק כפי שהציעו מקדונלד וביסטריצר. במצב זה, בטמפרטורות נמוכות דיין, עוברים האלקטרונים משכבה לשכבה ביעילות גבוהה ויוצרים שריג בעל תכונות יוצאות דופן.

ממצאים אלו פורסמו במאמר 2018, אשר היווה מהפיכה של ממש בתחום הפיזיקה, וגרם לשטף של עבודות נוספות בתחום הגרפן הדו-שכבתי.

התגלית החדשה מאפשרת לבנות על-מוליך מגרפן דו שכבתי אשר תנועת האלקטרונים בו נשלטת לחלוטין על ידי מתח חשמלי חיצוני. ההתנהגות חשמלית כזו מזכירה את ההתנהגות של משפחת חומרים מוליכי-על מבוססי נחושת שנקראת קופרטים. הקופרטים מראים הולכת חשמל ללא התנגדות בטמפרטורות גבוהות במיוחד יחסית למוליכי-על אחרים. כתוצאה מכך הקופרטים הפכו למקור תקווה גדול להגשמת החלום של הולכת חשמל ללא איבוד אנרגיה בטמפרטורות קרובות לטמפרטורת החדר. אם תוגשם המטרה, זו תהיה מהפכת אנרגיה אדירה. אלא שאחד המכשולים שמונעים מהפכה שכזו הוא שאין בידנו כיום תיאוריה שמסבירה את ההתנהגות של מוליכי-על בטמפרטורות גבוהות, ובהיעדר בסיס תיאורטי מוצק קשה לפתח חומרים חדשים וטובים יותר. זו אחת הסיבות להתרגשות הרבה סביב תגלית הגרפן הדו-שכבתי וזווית הקסם שבין השכבות, תגלית המאפשרת להבין טוב יותר את המתרחש ברמה המיקרוסקופית בעת המעבר ממצב של מוליך למצב של על מוליך.

אלן מקדונלד (יליד 1951, קנדה) קיבל את התואר הראשון מאוניברסיטת סנט פרנסיס קסאבייר, אנטיגוניש, נובה סקוטיה, קנדה בשנת ב-1973 ואת התואר השני (1974) והדוקטורט בפיזיקה (1978) מאוניברסיטת טורונטו. מקדונלד היה חבר בצוות המחקר של מועצת המחקר הלאומית של קנדה בשנים 1978 עד 1987, ולימד באוניברסיטת אינדיאנה (1987-2000) ובאוניברסיטת טקסס באוסטין (משנת 2000 ועד היום) שם הוא מכהן כיום כראש מרכז סיד וו. ריצ'רדסון לפיזיקה. בעבודותיו תרם רבות למחקר על אפקט הול הקוונטים, תיאוריית מבנה הפסים האלקטרוניים, מגנטיות ומוליכות-על.

פבלו חרייו-הררו

חתן פרס וולף בפיזיקה 2020

פבלו חרייו-הררו

 

שייכות בעת מתן הפרס:

מכון מסצ'וסטס לטכנולוגיה(MIT), ארה"ב

 

נימוק למתן הפרס:

"על עבודתם החלוצית בתיאוריה וניסוי של גרפן דו-שכבתי מסובב"

 

שותפים לפרס:

פבלו חרייו-הררו

אלן ה. מקדונלד

רפי ביסטריצר

 

בשנת 2004 בודדה לראשונה שכבה דו-ממדית בעובי של אטום אחד של פחמן הקרויה "גרפן". מאז הולך וגובר העניין בשכבות כאלה ובחומרים דו-ממדיים והגרפן מהווה בסיס לדור חדש לחלוטין של חומרים וטכנולוגיות. התקווה היא שיישומים המבוססים על גרפן ייטיבו עם הסביבה ויוזילו עלויות. בתעשיית האלקטרוניקה והמחשבים נדרשים חומרים שניתן לשלוט בהולכה שלהם. מחקרים פורצי הדרך של החוקרים חרייו הררו, מקדונלד וביסטריצר, הראו כי ניתן לשלוט בתכונות ההולכה של צמתי גרפן באמצעות הזווית המרחבית שבין שכבות הגרפן וכי בזוויות מסוימות קיימת התנהגות פיזיקלית מפתיעה של האלקטרונים.

בשנת 2011 חקרה קבוצתו של אלן מקדונלד, פיזיקאי תיאורטי מאוניברסיטת טקסס, התנהגות מעניינת של לוחות גרפן דו-שכבתי מסובב המונחים זה מעל זה, כלומר במצב בו קיימת זווית מסוימת, קטנה, בין הלוחות. לפי חישוביהם של מקדונלד וביסטריצר (שעבד כפוסט-דוקטורנט עם מקדונלד באותה עת). מהירות המנהור של אלקטרונים בין השכבות תלויה בזווית הסיבוב בניהם ונעלמת לגמרי ב"זוית קסם" של 1.1 מעלות. התקווה הייתה שהדבר יוביל ליצירת על-מוליך חדש, כלומר חומר שמאפשר מעבר זרם חשמלי ללא התנגדות כלל וללא איבודי אנרגיה.

המאמר המקורי של מקדונלד וביסטריצר שתיאר את תגליתם לא זכה לתגובה אוהדת בעולם המדעי ואף נשכח במשך מספר שנים. באותה תקופה עבד פרופ. חרייו-הררי על גרפן דו-שכבתי מסובב במעבדתו במכון הטכנולוגי של מסצ'וסט. הוא השתכנע שיש ממש ברעיונות של מקדונלד וביסטריצר וקבוצת המחקר שלו השקיעה מאמץ רב ביצירת ובמדידת גרפן דו שכבתי מפותל בזויות שונות.

הניסיונות נשאו פרי כאשר נמצא כי הנחת השכבות בזווית של 1.1 מעלות האחת יחסית לשנייה, זווית המכונה "זווית הקסם", גורמת לתכונות חשמליות יוצאות דופן, בדיוק כפי שהציעו מקדונלד וביסטריצר. במצב זה, בטמפרטורות נמוכות דיין, עוברים האלקטרונים משכבה לשכבה ביעילות גבוהה ויוצרים שריג בעל תכונות יוצאות דופן.

ממצאים אלו פורסמו במאמר 2018, אשר היווה מהפיכה של ממש בתחום הפיזיקה, וגרם לשטף של עבודות נוספות בתחום הגרפן הדו-שכבתי.

התגלית החדשה מאפשרת לבנות על-מוליך מגרפן דו שכבתי אשר תנועת האלקטרונים בו נשלטת לחלוטין על ידי מתח חשמלי חיצוני. ההתנהגות חשמלית כזו מזכירה את ההתנהגות של משפחת חומרים מוליכי-על מבוססי נחושת שנקראת קופרטים. הקופרטים מראים הולכת חשמל ללא התנגדות בטמפרטורות גבוהות במיוחד יחסית למוליכי-על אחרים. כתוצאה מכך הקופרטים הפכו למקור תקווה גדול להגשמת החלום של הולכת חשמל ללא איבוד אנרגיה בטמפרטורות קרובות לטמפרטורת החדר. אם תוגשם המטרה, זו תהיה מהפכת אנרגיה אדירה. אלא שאחד המכשולים שמונעים מהפכה שכזו הוא שאין בידנו כיום תיאוריה שמסבירה את ההתנהגות של מוליכי-על בטמפרטורות גבוהות, ובהיעדר בסיס תיאורטי מוצק קשה לפתח חומרים חדשים וטובים יותר. זו אחת הסיבות להתרגשות הרבה סביב תגלית הגרפן הדו-שכבתי וזווית הקסם שבין השכבות, תגלית המאפשרת להבין טוב יותר את המתרחש ברמה המיקרוסקופית בעת המעבר ממצב של מוליך למצב של על מוליך.

פבלו חרייו-הררו (יליד 1976, ולנסיה, ספרד) הוא פיזיקאי בתחום החומר המעובה ומחקרו עוסק בתחום ההובלה האלקטרונית הקוונטית ואלקטרואופטיקה בחומרים דו מימדיים חדשים. המעבדה שלו חוקרת את תכונות מוליכות העל שלהם, ואת תכונותיהם המגטיות והטופולוגיות. חרייו-הררו הצטרף ל- MIT בשנת 2008 ומכהן כפרופסור מן המניין משנת 2018. הוא קיבל את "licenciatura" שלו בפיזיקה מאוניברסיטת ולנסיה בספרד בשנת 1999; תואר שני במדעים מאוניברסיטת קליפורניה בסן דייגו בשנת 2001; והדוקטורט שלו מאוניברסיטת הטכנולוגיה של דלפט בהולנד, בשנת 2005.

 

 

רפי ביסטריצר

חתן פרס וולף בפיזיקה 2020

רפי ביסטריצר

 

שייכות בעת מתן הפרס:

חברת אפלאייד מטריאלס, ישראל

 

נימוק למתן הפרס:

"על עבודתם החלוצית בתיאוריה וניסוי של גרפן דו-שכבתי מסובב".

 

שותפים לפרס:

רפי ביסטריצר

אלן ה. מקדונלד

פבלו חרייו-הררו

 

בשנת 2004 בודדה לראשונה שכבה דו-ממדית בעובי של אטום אחד של פחמן הקרויה "גרפן". מאז הולך וגובר העניין בשכבות כאלה ובחומרים דו-ממדיים והגרפן מהווה בסיס לדור חדש לחלוטין של חומרים וטכנולוגיות. התקווה היא שיישומים המבוססים על גרפן ייטיבו עם הסביבה ויוזילו עלויות. בתעשיית האלקטרוניקה והמחשבים נדרשים חומרים שניתן לשלוט בהולכה שלהם. מחקרים פורצי הדרך של החוקרים חרייו הררו, מקדונלד וביסטריצר, הראו כי ניתן לשלוט בתכונות ההולכה של צמתי גרפן באמצעות הזווית המרחבית שבין שכבות הגרפן וכי בזוויות מסוימות קיימת התנהגות פיזיקלית מפתיעה של האלקטרונים.

בשנת 2011 חקרה קבוצתו של אלן מקדונלד, פיזיקאי תיאורטי מאוניברסיטת טקסס, התנהגות מעניינת של לוחות גרפן דו-שכבתי מסובב המונחים זה מעל זה, כלומר במצב בו קיימת זווית מסוימת, קטנה, בין הלוחות. לפי חישוביהם של מקדונלד וביסטריצר (שעבד כפוסט-דוקטורנט עם מקדונלד באותה עת). מהירות המנהור של אלקטרונים בין השכבות תלויה בזווית הסיבוב בניהם ונעלמת לגמרי ב"זווית קסם" של 1.1 מעלות. התקווה הייתה שהדבר יוביל ליצירת על-מוליך חדש, כלומר חומר שמאפשר מעבר זרם חשמלי ללא התנגדות כלל וללא איבודי אנרגיה.

המאמר המקורי של מקדונלד וביסטריצר שתיאר את תגליתם לא זכה לתגובה אוהדת בעולם המדעי ואף נשכח במשך מספר שנים.  באותה תקופה עבד פרופ. חרייו-הררו על גרפן דו-שכבתי מסובב במעבדתו במכון הטכנולוגי של מסצ'וסט. הוא השתכנע שיש ממש ברעיונות של מקדונלד וביסטריצר וקבוצת המחקר שלו השקיעה מאמץ רב ביצירת ובמדידת גרפן דו שכבתי מפותל בזויות שונות.

הנסיונות נשאו פרי כאשר נמצא כי הנחת השכבות בזווית של 1.1 מעלות האחת יחסית לשנייה, זווית המכונה "זווית הקסם", גורמת לתכונות חשמליות יוצאות דופן, בדיוק כפי שהציעו מקדונלד וביסטריצר. במצב זה, בטמפרטורות נמוכות דיין, עוברים האלקטרונים משכבה לשכבה ביעילות גבוהה ויוצרים שריג בעל תכונות יוצאות דופן.

ממצאים אלו פורסמו במאמר 2018, אשר היווה מהפיכה של ממש בתחום הפיזיקה, וגרם לשטף של עבודות נוספות בתחום הגרפן הדו-שכבתי.

התגלית החדשה מאפשרת לבנות על-מוליך מגרפן דו שכבתי אשר תנועת האלקטרונים בו נשלטת לחלוטין על ידי מתח חשמלי חיצוני. ההתנהגות חשמלית כזו מזכירה את ההתנהגות של משפחת חומרים מוליכי-על מבוססי נחושת שנקראת קופרטים. הקופרטים מראים הולכת חשמל ללא התנגדות בטמפרטורות גבוהות במיוחד יחסית למוליכי-על אחרים. כתוצאה מכך הקופרטים הפכו למקור תקווה גדול להגשמת החלום של הולכת חשמל ללא איבוד אנרגיה בטמפרטורות קרובות לטמפרטורת החדר. אם תוגשם המטרה, זו תהיה מהפכת אנרגיה אדירה. אלא שאחד המכשולים שמונעים מהפכה שכזו הוא שאין בידינו כיום תיאוריה שמסבירה את ההתנהגות של מוליכי-על בטמפרטורות גבוהות, ובהיעדר בסיס תיאורטי מוצק קשה לפתח חומרים חדשים וטובים יותר. זו אחת הסיבות להתרגשות הרבה סביב תגלית הגרפן הדו-שכבתי וזווית הקסם שבין השכבות, תגלית המאפשרת להבין טוב יותר את המתרחש ברמה המיקרוסקופית בעת המעבר ממצב של מוליך למצב של על מוליך.

רפי ביסטריצר (יליד 1974, ישראל) קיבל את התואר הראשון בפיזיקה מאוניברסיטת תל אביב ואת התואר השני והדוקטורט בפיזיקה קיבל ממכון ויצמן למדע. ב-2007 עבר ביסטריצר לאוסטין שם השלים פוסטדוקטורט באוניברסיטת טקסס, תחת הנחייתו של פרופ. מקדונלד. ב-2012 שב לישראל ומאז עסק במחקר ופיתוח בתחומי האלקטרומגניטיקה והאלגוריתמים. כיום ביסטריצר מנהל צוות אלגוריתמים בחברת אפלאייד מטיריאלס. הקבוצה מתמחה באלגוריתמים של ראייה ממוחשבת ואלגוריתמים באמצעות למידת מכונה (Machine learning).

 

 

ז'יל ברסר

חתן פרס וולף בפיזיקה 2018

ז'יל ברסר

 

שייכות בעת מתן הפרס:

אוניברסיטת מונטריאול, קנדה

 

נימוק למתן הפרס:

"על פיתוח וקידום תחומי ההצפנה הקוונטית והטלפורטציה הקוונטית".

 

שותפים לפרס:

ז'יל ברסר

 צ'רלס ה. בנט

 

ז'יל ברסר, נולד בעיר מונטריאול (1955), קיבל תואר דוקטורט מאוניברסיטת קורנל בתחום התיאוריה של מדעי המחשב, ספציפית בתחום הקריפטוגרפיה. מאז, ז'יל הינו חבר סגל באוניברסיטת מונטריאול (1979), ובעל קתדרה למחקר בתחום האינפורמציה הקוונטית בקנדה מאז 2001. חבר באגודה המלכותית של לונדון (2013), האגודה הבינלאומית למחקר קריפטוגרפיה (2006), המכון הקנדי ללימודים מתקדמים (2002) והאגודה המלכותית של קנדה (1996). הוא הוכתר כקצין במסדר הקנדי (2013) ובמסדר הלאומי של קוויבק (2017). מבין פרסיו הרבים, פרופסור ברסר זכה בפרס קיליאם למדעי הטבע (2011) ובמדליית הזהב הקנדית למדע ולהנדסה על שם גרהארד הרצברג (2009), שני הפרסים המדעיים החשובים ביותר הניתנים בקנדה, וכמו כן בפרס ההצטיינות של FRQNT (2013) ובפרס מארי-ויקטורין (2000) שהם שני הפרסים המדעיים החשובים ביותר הניתנים בקוויבק. ביחד עם צ'רלס ה. בנט וסטיבן וויזנר, הוא זכה בפרס ראנק באופטו-אלקטרוניקה (2006) שניתן בעבור חקר הרעיון המקורי של הקריפטוגרפיה הקוונטית. בנוסף, ברסר הוא בעל שלושה דוקטורטים של כבוד: מבית הספר הפוליטכני ETH בציריך (2010), מאוניברסיטת אוטאווה (2014), ומאוניברסיטת שוויץ האיטלקית בלוגאנו (2015).

מהפכת האינפורמציה, אשר במאה ה21 ממשיכה להביא לשינויים מהותיים בכל אספקט של חיינו, צמחה משני גילויים מהפכניים שנעשו במעבדות בל בשנת 1948. הראשון היה הטרנזיסטור, שהביא עמו עשורים של מזעור בתחום האלקטרוניקה. השני היה מאמרו פורץ הדרך של קלוד שאנון על תורת האינפורמציה. כיום אפילו אנשים ללא השכלה מדעית מבינים את העיקרון שעומד בבסיס תורה זו: כל דבר שרוצים לתקשר, ויהי זה מילה, תמונה, צורה, תנועה ואולי, יום אחד, אפילו ריח – יכול להיות מקודד על ידי סדרת ביטים – אפסים ואחדות – ולהישלח בערוץ תקשורת כגון רדיו או סיב אופטי למקום מרוחק, ושם להיות מתורגם מחדש להעתק של אותו הדבר שנשלח, בדיוק גדול כרצוננו. תורתו של שאנון נולדה כאידיאליזציה של ההתנהגות של אובייקטים מאקרוסקופיים שבהם השתמשו באותו הזמן לשימור מידע, כגון כרטיסי ניקוב, גלגלי שיניים ומתגים אלקטרוניים. מידע השמור כך ניתן לקריאה והעתקה תוך שמירה מדויקת של העותק המקורי. מזה שנים רבות כימאים ופיזיקאים יודעים שמידע באובייקטים זעירים מתנהג בצורה מתוחכמת יותר. לא ניתן ללמוד את המצב המדויק של אטום של החומר, או של פוטון של אור, כי הניסיון לעשות זאת משנה מצב זה. מעבר לכך, שני אטומים או פוטונים, שהיו במגע בעבר ומאז הופרדו למרחק כזה שאינו מאפשר השפעה ביניהם, יכולים להיות במצב הנקרא "מצב שזור". במצב כזה כל חלקיק יכול להתנהג בצורה אקראית, אך אי אפשר להסביר את הקורלציה החזקה ביניהם אם מניחים שניתן לתאר כל חלקיק על ידי מצב (אולי לא ידוע) משל עצמו. תופעות אלו, (הקרויות "קוונטיות" לשם הבדלה מההתנהגות הרגילה, ה"קלאסית" של אובייקטים מאקרוסקופיים), הובנו בצורה טובה למדי כבר משנות ה30 של המאה הקודמת, ועוררו עניין רב בקרב פילוסופים. אלא שתופעות אלו נחשבו כחלק מהדיסציפלינות המדעיות של פיזיקה וכימיה, ללא רלוונטיות משמעותית לנושא עיבוד מידע, לבד ממטרדים כגון הפיכת טרנזיסטורים קטנים לרועשים יותר ופחות אמינים מאשר אחיהם הגדולים יותר.

20 שנים לאחר מאמרו של שאנון, הבחין סטיבן וויזנר שאפקטים קוונטיים יכולים לאפשר ביצוע של פעולות מעניינות שתורת האינפורמציה של שאנון אינה יכולה להסביר. לדוגמא, שילוב שני מסרים לכדי הודעה אחת כך שמקבל ההודעה יכול להסיק את אחד המסרים לפי בחירתו, אך לא את שניהם. וויזנר לא השקיע מאמצים רבים בפרסום והפצת רעיונותיו, אך סיפר עליהם למספר חברים. צ'רלס בנט מחברת IBM וז'יל ברסר מאוניברסיטת מונטריאול היו, בהתאמה, הפיזיקאי ומדען המחשב הראשונים שלקחו את רעיונותיו של וויזנר ברצינות, פיתחו אותם, ובכך ייסדו את תחום המדע הקרוי היום אינפורמציה קוונטית. הגילוי הראשון שלהם, שהפך להיות היישום הראשון של אינפורמציה קוונטית, היה הפרוטוקול לחלוקת מפתח קוונטית. חלוקת מפתח קוונטית מאפשרת לשני משתמשים שמתקשרים בעזרת ערוץ קלאסי פומבי (כגון רדיו) וכן בעזרת ערוץ קוונטי החשוף להאזנה (כגון הבזקים עמומים של אור בחלל או סיב אופטי) להסכים על אינפורמציה סודית משותפת, הקרויה מפתח קריפטוגרפי. חוקי תורת הקוונטים מבטיחים ברמת בטיחות גבוהה שהמפתח אותו חולקים המשתתפים אינו ידוע לאף אחד אחר. בעזרת הסטודנטים שלהם פרנסואה בסט, לואי סלוויל וג'ון סמולין, הם בנו בשנת 1989 מערכת פיזיקלית שמממשת את הפרוטוקול שלהם. כדי להפוך את הפרוטוקול למעשי היה עליהם להתמודד עם אתגרים נוספים שדרשו התייחסות כגון התגברות על שגיאות בהעברה ובמדידה, וזליגה חלקית של המידע למאזין חיצוני. בתחילת שנות ה90 של המאה הקודמת, בשיתוף עם וויזנר, קלוד קריפו, ריצ'רד ג'וזסה, אשר פרס ווויליאם ווטרס, בנט וברסר הראו ששזירה קוונטית איננה רק תופעה מעניינת אלא משאב הניתן לכימות ולשימוש, וזאת למרות שבפני עצמו אין למשאב זה שום יכולת להעביר אינפורמציה ממקום למקום. בעזרת הטכניקה הקרויה superdense coding משאב זה מכפיל את כמות האינפורמציה הקלאסית שניתן לשלוח דרך ערוץ קוונטי, בעוד שבעזרת טלפורטציה קוונטית הוא מאפשר לאינפורמציה קוונטית להשלח דרך ערוץ קלאסי. במקביל לכך, ארתור אקרט הראה שניתן להשתמש בשזירה קוונטית בפני עצמה על מנת לייצר חלוקת מפתח קוונטית. בהמשך לכך, אף זאת בשנות ה90, על בסיס עבודות מוקדמות של דיויד דויטש וריצ'רד פיינמן משנות ה80, הם וחוקרים אחרים הראו שמושגים קוונטיים מובילים לא רק להכללה של תורת האינפורמציה הקלאסית של שאנון, אלא גם להכללה של תורת החישוב הקלאסית של טיורינג. התפתחות זו הגיעה לשיאה בשנת 1994 עם תגליתו המפורסמת של פיטר שור שקיים אלגוריתם קוונטי יעיל לפירוק מספרים לגורמים ולמציאת לוגריתם דיסקרטי. הנחת הקושי החישובי של שתי בעיות אלו ניצבת בבסיס הבטיחות של רוב פרוטוקולי המסחר האינטרנטי היום. תגלית זו הובילה למאמץ כלל עולמי לבניית מחשב קוונטי. מאז, מערכות חלוקת מפתח קוונטיות הפכו זמינות לרכישה, ושוכללו לטווחי פעולה של מאות קילומטרים דרך סיבים אופטיים, ואלפי קילומטרים במערכות מבוססות לווינים. טכניקות מבוססות אינפורמציה קוונטית הביאו באופן פרקטי גם לשיפור במדידת זמן ולשיפור במדידות מדויקות, ובאופן תיאורטי, הן סיפקו רמזים מרתקים לגבי כמה מהשאלות המסתוריות ביותר בפיזיקה, כמו בעיית האינפורמציה בחורים שחורים, גרוויטציה קוונטית ושאלת המקור של המרחב-זמן.

בתהליך עיבוד המידע הקוונטי מופעלות על ביטים קוונטים – ההכללה הקוונטית של הביטים הקלאסיים של שאנון – פעולות שהן ההכללה הקוונטית של השערים הידועים מתורת החישוב הקלאסית: AND, OR וNOT-. פעולות אלו ניתנות לתיאור בפירוט מלא בעזרת שימוש לא מתוחכם מדי באלגברה של בית ספר תיכון. הרבה יותר קשה לתאר במילים פשוטות במה בדיוק שונה האינפורמציה הקוונטית מהסוג הרגיל והמוכר של אינפורמציה קלאסית. באופן מטאפורי אפשר לומר שבעוד אינפורמציה קלאסית דומה למידע הכתוב בספר, אינפורמציה קוונטית דומה למידע בחלום. חלום לא יכול להיות מועתק או משודר, ואם את מנסה לתאר אותו למישהו אחר, בסופו של דבר תשכחי אותו ותזכרי רק מה שאמרת לגביו. אבל שלא כמו בחלומות, המידע הרגיש ודמוי החלום הזה מציית לחוקים ידועים לנו, מאפשר סוגים חדשים של תקשורת וחישוב, ומשפר את הבנתינו את העולם בצורות שעדיין הולכות ומתגלות.

בעבור תפקידם בייסוד תורת האינפורמציה הקוונטית מקבלים בנט וברסר את פרס וולף לפיזיקה של שנת 2018.

צ'רלס ה. בנט

חתן פרס וולף בפיזיקה 2018

צ'רלס ה. בנט

 

שייכות בעת מתן הפרס:

IBM, ארה"ב

 

נימוק למתן הפרס:

"על ייסוד וקידום תחומי המחקר של קריפטוגרפיה קוונטית וטלפורטציה קוונטית".

 

שותפים לפרס:

צ'רלס ה. בנט

ז'יל ברסר

 

צ'רלס בנט, נולד בעיר ניו יורק (1943), קיבל תואר דוקטורט מאוניברסיטת הרווארד בתחום הדינמיקה המולקולרית (סימולציות של תנועה מולקולרית). לאחר סיום הדוקטורט הצטרף בנט למעבדות המחקר ב-IBM ושם עזר לפתח את הבסיס התיאורטי לתחום פורץ הדרך הקרוי חישוב קוונטי. ב1984, ביחד עם ז'יל ברסר, הוא החל לפתח את מערכת ההצפנה הקוונטית הקרויה BB84 על שם שני ממציאיה.

בנט הוא חבר האקדמיה הלאומית למדעים של ארצות הברית (אליה נבחר ב1997), חבר הקהילה האמריקאית לפיזיקה (1998), זוכה פרס ראנק באלקטרו אופטיקה (2006), זוכה פרס הארווי של הטכניון בחיפה (2009), זוכה בפרס אוקאווה היפני (2011), זוכה במדליית דיראק של המכון הבינלאומי לפיזיקה תיאורטית (2017) ובעל דוקטורט כבוד מאוניברסיטת מאסאריק, אוניברסיטת גדאנסק, אוניברסיטת בריסטול ובית הספר הפוליטכני ETH בציריך.

מהפכת האינפורמציה, אשר במאה ה21 ממשיכה להביא לשינויים מהותיים בכל אספקט של חיינו, צמחה משני גילויים מהפכניים שנעשו במעבדות בל בשנת 1948. הראשון היה הטרנזיסטור, שהביא עמו עשורים של מזעור בתחום האלקטרוניקה. השני היה מאמרו פורץ הדרך של קלוד שאנון על תורת האינפורמציה. כיום אפילו אנשים ללא השכלה מדעית מבינים את העיקרון שעומד בבסיס תורה זו: כל דבר שרוצים לתקשר, ויהי זה מילה, תמונה, צורה, תנועה ואולי, יום אחד, אפילו ריח – יכול להיות מקודד על ידי סדרת ביטים – אפסים ואחדות – ולהישלח בערוץ תקשורת כגון רדיו או סיב אופטי למקום מרוחק, ושם להיות מתורגם מחדש להעתק של אותו הדבר שנשלח, בדיוק גדול כרצוננו. תורתו של שאנון נולדה כאידיאליזציה של ההתנהגות של אובייקטים מאקרוסקופיים שבהם השתמשו באותו הזמן לשימור מידע, כגון כרטיסי ניקוב, גלגלי שיניים ומתגים אלקטרוניים. מידע השמור כך ניתן לקריאה והעתקה תוך שמירה מדויקת של העותק המקורי. מזה שנים רבות כימאים ופיזיקאים יודעים שמידע באובייקטים זעירים מתנהג בצורה מתוחכמת יותר. לא ניתן ללמוד את המצב המדויק של אטום של החומר, או של פוטון של אור, כי הניסיון לעשות זאת משנה מצב זה. מעבר לכך, שני אטומים או פוטונים, שהיו במגע בעבר ומאז הופרדו למרחק כזה שאינו מאפשר השפעה ביניהם, יכולים להיות במצב הנקרא "מצב שזור". במצב כזה כל חלקיק יכול להתנהג בצורה אקראית, אך אי אפשר להסביר את הקורלציה החזקה ביניהם אם מניחים שניתן לתאר כל חלקיק על ידי מצב (אולי לא ידוע) משל עצמו. תופעות אלו, (הקרויות "קוונטיות" לשם הבדלה מההתנהגות הרגילה, ה"קלאסית" של אובייקטים מאקרוסקופיים), הובנו בצורה טובה למדי כבר משנות ה30 של המאה הקודמת, ועוררו עניין רב בקרב פילוסופים. אלא שתופעות אלו נחשבו כחלק מהדיסציפלינות המדעיות של פיזיקה וכימיה, ללא רלוונטיות משמעותית לנושא עיבוד מידע, לבד ממטרדים כגון הפיכת טרנזיסטורים קטנים לרועשים יותר ופחות אמינים מאשר אחיהם הגדולים יותר.

20 שנים לאחר מאמרו של שאנון, הבחין סטיבן וויזנר שאפקטים קוונטיים יכולים לאפשר ביצוע של פעולות מעניינות שתורת האינפורמציה של שאנון אינה יכולה להסביר. לדוגמא, שילוב שני מסרים לכדי הודעה אחת כך שמקבל ההודעה יכול להסיק את אחד המסרים לפי בחירתו, אך לא את שניהם. וויזנר לא השקיע מאמצים רבים בפרסום והפצת רעיונותיו, אך סיפר עליהם למספר חברים. צ'רלס בנט מחברת IBM וז'יל ברסר מאוניברסיטת מונטריאול היו, בהתאמה, הפיזיקאי ומדען המחשב הראשונים שלקחו את רעיונותיו של וויזנר ברצינות, פיתחו אותם, ובכך ייסדו את תחום המדע הקרוי היום אינפורמציה קוונטית. הגילוי הראשון שלהם, שהפך להיות היישום הראשון של אינפורמציה קוונטית, היה הפרוטוקול לחלוקת מפתח קוונטית. חלוקת מפתח קוונטית מאפשרת לשני משתמשים שמתקשרים בעזרת ערוץ קלאסי פומבי (כגון רדיו) וכן בעזרת ערוץ קוונטי החשוף להאזנה (כגון הבזקים עמומים של אור בחלל או סיב אופטי) להסכים על אינפורמציה סודית משותפת, הקרויה מפתח קריפטוגרפי. חוקי תורת הקוונטים מבטיחים ברמת בטיחות גבוהה שהמפתח אותו חולקים המשתתפים אינו ידוע לאף אחד אחר. בעזרת הסטודנטים שלהם פרנסואה בסט, לואי סלוויל וג'ון סמולין, הם בנו בשנת 1989 מערכת פיזיקלית שמממשת את הפרוטוקול שלהם. כדי להפוך את הפרוטוקול למעשי היה עליהם להתמודד עם אתגרים נוספים שדרשו התייחסות כגון התגברות על שגיאות בהעברה ובמדידה, וזליגה חלקית של המידע למאזין חיצוני. בתחילת שנות ה90 של המאה הקודמת, בשיתוף עם וויזנר, קלוד קריפו, ריצ'רד ג'וזסה, אשר פרס ווויליאם ווטרס, בנט וברסר הראו ששזירה קוונטית איננה רק תופעה מעניינת אלא משאב הניתן לכימות ולשימוש, וזאת למרות שבפני עצמו אין למשאב זה שום יכולת להעביר אינפורמציה ממקום למקום. בעזרת הטכניקה הקרויה superdense coding משאב זה מכפיל את כמות האינפורמציה הקלאסית שניתן לשלוח דרך ערוץ קוונטי, בעוד שבעזרת טלפורטציה קוונטית הוא מאפשר לאינפורמציה קוונטית להשלח דרך ערוץ קלאסי. במקביל לכך, ארתור אקרט הראה שניתן להשתמש בשזירה קוונטית בפני עצמה על מנת לייצר חלוקת מפתח קוונטית. בהמשך לכך, אף זאת בשנות ה90, על בסיס עבודות מוקדמות של דיויד דויטש וריצ'רד פיינמן משנות ה80, הם וחוקרים אחרים הראו שמושגים קוונטיים מובילים לא רק להכללה של תורת האינפורמציה הקלאסית של שאנון, אלא גם להכללה של תורת החישוב הקלאסית של טיורינג. התפתחות זו הגיעה לשיאה בשנת 1994 עם תגליתו המפורסמת של פיטר שור שקיים אלגוריתם קוונטי יעיל לפירוק מספרים לגורמים ולמציאת לוגריתם דיסקרטי. הנחת הקושי החישובי של שתי בעיות אלו ניצבת בבסיס הבטיחות של רוב פרוטוקולי המסחר האינטרנטי היום. תגלית זו הובילה למאמץ כלל עולמי לבניית מחשב קוונטי. מאז, מערכות חלוקת מפתח קוונטיות הפכו זמינות לרכישה, ושוכללו לטווחי פעולה של מאות קילומטרים דרך סיבים אופטיים, ואלפי קילומטרים במערכות מבוססות לווינים. טכניקות מבוססות אינפורמציה קוונטית הביאו באופן פרקטי גם לשיפור במדידת זמן ולשיפור במדידות מדויקות, ובאופן תיאורטי, הן סיפקו רמזים מרתקים לגבי כמה מהשאלות המסתוריות ביותר בפיזיקה, כמו בעיית האינפורמציה בחורים שחורים, גרוויטציה קוונטית ושאלת המקור של המרחב-זמן.

בתהליך עיבוד המידע הקוונטי מופעלות על ביטים קוונטים – ההכללה הקוונטית של הביטים הקלאסיים של שאנון – פעולות שהן ההכללה הקוונטית של השערים הידועים מתורת החישוב הקלאסית: AND, OR וNOT-. פעולות אלו ניתנות לתיאור בפירוט מלא בעזרת שימוש לא מתוחכם מדי באלגברה של בית ספר תיכון. הרבה יותר קשה לתאר במילים פשוטות במה בדיוק שונה האינפורמציה הקוונטית מהסוג הרגיל והמוכר של אינפורמציה קלאסית. באופן מטאפורי אפשר לומר שבעוד אינפורמציה קלאסית דומה למידע הכתוב בספר, אינפורמציה קוונטית דומה למידע בחלום. חלום לא יכול להיות מועתק או משודר, ואם את מנסה לתאר אותו למישהו אחר, בסופו של דבר תשכחי אותו ותזכרי רק מה שאמרת לגביו. אבל שלא כמו בחלומות, המידע הרגיש ודמוי החלום הזה מציית לחוקים ידועים לנו, מאפשר סוגים חדשים של תקשורת וחישוב, ומשפר את הבנתינו את העולם בצורות שעדיין הולכות ומתגלות.

בעבור תפקידם בייסוד תורת האינפורמציה הקוונטית מקבלים בנט וברסר את פרס וולף לפיזיקה של שנת 2018.