הפרדת תנודות הריק מקרינה ממקורית בניסוי

אנרגיה מסתורית במרחב הריק

המרחב הריק אינו ריק באמת. על‑פי הפיזיקה הקוונטית, הוא רוטט בשדות חשמליים ומגנטיים זעירים המשתנים תמידית, המוכרים כתנודות הריק. הרטטים הנסתרים האלה מסבירים השפעות עדינות באטומים ובאור, אך עד היום הם היו סבוכים באופן שלא ניתן להבחין בו מקרינה רגילה הנובעת מחלקיקים וממקורות אור ממשיים. מאמר זה מדווח על הניסוי הראשון שמפריד באופן נקי בין שני מרכיבים אלה של העולם הקוונטי, והופך ניסוי מחשבתי ותיק למציאות על שולחן המעבדה.

הפיכת ניסוי מחשבתי למבחן אמיתי

לפני כמעט מאה שנה דמיין הפיזיקאי אנריקו פרמי שני אטומים שמותר להם לפתע לתקשר עם שדה החשמל־מגנטי של המרחב הריק. עם חלוף הזמן הפכו האטומים לקורלציים בשתי דרכים: על‑ידי ניצול תנודות הריק הקיימות תמיד, ועל‑ידי מסחר בפוטון ממשי של אור ביניהם, המכונה קרינה ממקור. התיאוריה טענה ששני התהליכים חשובים, אך הפרדתם נחשבה לבלתי אפשרית. העבודה החדשה מחליפה את אטומי פרמי בשני פולסים לייזר קצרים במיוחד ומאפשרת להם לשחק את אותו משחק בתוך גביש מיוחד המגיב לשדות חשמליים. הגרסה האולטרה־אופטית הזו מאפשרת להדליק ולכבות את האינטראקציה בדיוק מרבי בזמן כשהפולסים נכנסים ויוצאים מהחומר.

שימוש בפולסי אור כחישנים קוונטיים

בניסוי שני פולסי לייזר בתחום התת‑אדום הקרובים עוברים זה לצד זה דרך גביש תליאורתן‑אבץ מקורר למספר מעלות מעל האפס המוחלט כדי להדיר קרינה תרמית רגילה. כאשר כל פולס עובר, הוא מתcouple זמנית למודי שדה אלקטרומגנטי בתדרים נמוכים בהרבה, בתחום הטרהרטץ, באמצעות אפקט אופטי לא־לינארי. פעולה זו משנה במעט את הקיטוב של הפולסים — הכיוון שבו שדות החשמל שלהם רוטטים. גלאים רגישים מאד קוראים אז את שינויים אלה בקיטוב עבור כל פולס ומאפשרים לחוקרים לחפש קורלציות ביניהם שמגלות את השפעת תנודות הריק ואת השפעת הקרינה ממקור.

למיין שני סוגי רעש קוונטי

טריק מרכזי הוא שתנודות הריק והקרינה מהמָקור מבלגנות דקויות שונות של השדה האור — "קאדרטורות" שונות של האור, בערך כאילו לדחוף נדנדה ברבע תקופה לעומת בדחיפה בו‑זמנית. על‑ידי הכנסת לוחות גל שונים מול כל גלאי, הצוות יכול לבחור איזו קוואדרטורה של כל פולס לצפות. כאשר שתי זרועות הגילוי מכוונות לאותה קוואדרטורה שאינה בשלבי־גל זהים, הן קולטות קורלציות שמופיעות מיידית כשהפולסים חופפים בזמן, ומגלות את חותם תנודות הריק המשותפות לשניהם. כשהגלאים מכוונים אחת בשלבי‑גל זהים והשנייה מחוץ‑לשלב, מופיעה קורלציה מאוחרת חדשה: פולס אחד מעורר תחילה קרינה ממקור, שהולכת ואז ומתעצבת במשך ההולכה בגביש והיא נקלטת על‑ידי הפולס השני רק לאחר זמן הנסיעה של האור. דפוס התזמון הלא סימטרי הזה מקודד את האופי הסיבתי, "לאחר‑העובדה", של הקרינה מהמָקור.

בדיקה של כלל קוונטי יסודי

על‑ידי חקירת הקורלציות לא רק בזמן אלא גם כפונקציה של תדר, המחברים מראים ששני האותות מקושרים בדיוק כפי שניבאה גרסת הקוונטום של משפט התנודדות‑והתמסרות (fluctuation–dissipation theorem), עיקרון עמוק שמקשר רעש אקראי לתגובת המערכת. האות המושרה על‑ידי הוואקום ואות הקרינה מהמָקור מסודרים כמו החלקים הממשיים והדמיוניים של גל מורכב, מוזזים זה ביחס לזה ברבע מחזור. למרות סטיות קטנות שנובעות מפרטים מעשיים כגון המרחק המדויק בין קרני האור בגביש, המדידות מתאימות בקירוב לחשבונות תיאורטיים מפורטים, ואוששות ששני התרומות אמיתיות מבחינה פיזיקאלית ולא רק ארטיפקטים של חשבונאות מתמטית.

מדוע זה חשוב לטכנולוגיות קוונטיות עתידיות

היכולת למדוד תנודות ריק וקרינה ממקור בנפרד עושה יותר מליישב וויכוח רעיוני. היא פותחת חלון חדש לעבר שדות קוונטיים במרחבי‑זמן הנדונים בזמן ואפילו במרחבי‑זמן מעוקלים המהונדסים במעבדה. מכיוון שהשיטה יכולה, בעקרון, לאתר קורלציות המגיעות מפוטון טרהרטץ יחיד אפילו מול רקע חם, היא עשויה לסייע לחקור תופעות אקזוטיות כגון אפקט קזימיר דינמי, שבו גבולות נעים מייצרים אור מתוך הוואקום, או "קצירת שזירה" (entanglement harvesting), שבה גלאים מופרדים מושכים קשרים קוונטיים מתוך המרחב הריק. במונחים יומיומיים, המחקר מראה שעכשיו אנו מסוגלים לא רק לחוש בפעילות הנודדת של הוואקום, אלא גם לצפות כיצד היא הופכת צעד‑אחר‑צעד לקרינה ממשית.

ציטוט: Herter, A., Lindel, F., Gabriel, L. et al. Experimentally separating vacuum fluctuations from source radiation. Nat Commun 17, 2863 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69142-4

מילות מפתח: ואקום קוונטי, דגימת אלקטרו‑אופטית, קרינת טרהרטץ, תנודות הריק, קורלציות קוונטיות