ז'יל ברסר

ז'יל ברסר זוכה פרס וולף בפיזיקה - 2018
ז'יל ברסר

פרס קרן וולף לשנת 2018 בתחום הפיזיקה יוענק לצ'רלס ה' בנט, פיזיקאי מ-IBM, ולז'יל ברסר, מדען מחשבים מאוניברסיטת מונטריאול שבקנדה, על פיתוח וקידום תחומי ההצפנה הקוונטית והטלפורטציה הקוונטית

ז'יל ברסר, יליד מונטריאול (1955), השלים לימודי דוקטורט באוניברסיטת קורנל והחל מ-1988 הוא חבר סגל באוניברסיטת מונטריאול. הוא הקנדי הראשון שנבחר כעמית של האגודה הבינלאומית למחקר קריפטוגרפי, וזכה גם במדליית הזהב הקנדית ע"ש גרהארד-הרצברג. 

בנט וברסר נחשבים למייסדיה של תורת האינפורמציה הקוונטית, תחום מדעי ההולך ומתפתח במהירות רבה. תורת האינפורמציה  היא תיאוריה מתמטית שיסודותיה נעוצים בתורת ההסתברות, בסטטיסטיקה ובתהליכים אקראיים. מטרתה העיקרית היא לאפיין באופן כמותי  הן את אפשרויות העיבוד וההעברה (או השידור) של מידע והן את מגבלותיהן. לתורת האינפורמציה יישומים רבים והיא משמשת למשל לפיתוח מערכות הצפנה מתקדמות. הפיזיקה הקוונטית אפשרה לבנט וברסר, ועמיתיהם, לפתח ענף חדש הקרוי "תורת האינפורמציה הקוונטית". תורה זו מאמצת מושגים קוונטיים להגדרת מידע ולעיבוד מידע, ומאפשרת – בין השאר – פיתוח שיטות הצפנה משוכללות לאין ערוך מאלה שפותחו על סמך תורת האינפורמציה הקלאסית.

הבסיס של תורת האינפורמציה הקלאסית  המשמשת במחשבים הדיגיטליים המוכרים לכולנו הוא  הסיבּית (בִּיט), היכולה לקבל שני ערכים בלבד – 0 או 1. לעומת זאת, יחידת המידע הבסיסית של האינפורמציה הקוונטית היא הקיוביט ( qubitכלומר ביט קוונטי). הקיוביט הוא יחידת מידע מורכבת בהרבה מהסיבית, בהתאם למורכבות הרבה של המכניקה הקוונטית בהשוואה לפיזיקה הלא-קוונטית (למשל הפיזיקה הניוטונית), המכונה "הפיזיקה הקלאסית".  בהתאם לכך, תורת האינפורמציה המסורתית (הלא-קוונטית) מכונה אף היא "קלאסית". כאמור, הקיוביט, יחידת המידע הקוונטית הבסיסית, יכול לקבל לא רק את המצבים 0 או 1 אלא גם להיות במצב משולב, או "סופרפוזיציה"  של שניהם.

"סופרפוזיציה" הוא מושג יסוד במכניקת הקוונטים המתאר קיום במצב שאיננו מוגדר באופן חד משמעי, למשל  0 או 1 של סיבית רגילה, אלא במעין מצב ביניים – במקרה של הקיוביט, מצב של 0 ו-1 גם יחד. משמעות "מצב הביניים" הזה הוא שאין אפשרות פיזיקאלית להגדיר את המצב המדויק של הקיוביט ולכן אין ברירה אלא להסתפק במידע בעל אופי סטטיסטי: פרוש הדבר הוא  שקיימת הסתברות  לקיום בשני מצבים (או יותר) גם יחד. במקרה של הקיוביט, יש הסתברות שווה להיותו במצב של 0 או 1; במקרה של חלקיק קוונטי אמיתי, סופרפוזיציה פירושה הסתברות שווה להיותו בכל אחד ממספר מצבים אפשריים או במקום כלשהו מבין מספר מקומות אפשריים. רק כאשר מתבצעת מדידה, כלומר ניסוי פיזיקאלי הבוחן את מצבו של החלקיק,  "קורס" החלקיק (ובהתאם לכך הקיוביט) למצב (או מקום) מסוים הידועים בוודאות.  "שזירה" היא  תופעה קוונטית מסובכת יותר הנובעת מתלות הדדית של מצבים קוונטים של שני עצמים (או יותר), גם אם הם מרוחקים מאוד זה מזה. גם כאן, הקשר ניתן לתיאור רק במונחי הפיזיקה הקוונטית.

בנט וברסר מצאו דרך לנצל  את תכונת קיטוב האור כדי לפתח שיטת הצפנה קוונטית מהפכנית המכונה "החלפת מפתחות קוונטית". האור הוא כידוע גל אלקטרומגנטי, כלומר הפרעה, או שינוי, בשדות חשמליים ומגנטיים המתפשטים במרחב במהירות האור. קיטוב הוא תכונה של האור הקשורה לכיוון השדה החשמלי  במהלך התפשטות הגל. תכונה זו היא המאפשרת, בין השאר, ליצר עדשות משקפיים המעבירות דרכן רק חלק מאור השמש המקוטב בכיוון מסוים.  שיטת BB84 של בנט וברסר מבוססת על שידור פוטונים (חלקיקי  האור) ומדידת הקיטוב שלהם. הם הראו כי ניתן להשתמש בהתנהגות הקוונטית של הפוטונים (כולל תופעת ה"קריסה" המתרחשת עם מדידת קיטובם) לקבלת הצפנה מאובטחת של מידע.

תגלית זו של בנט וברסר הובילה להתפתחות חשובה נוספת בתחום תורת האינפורמציה הקוונטית הנשענת על תופעת ה"שזירה" שהוזכרה לעיל. תופעת השזירה הקוונטית – כלומר ההשפעה ההדדית המיידית של חלקיקים  קוונטים שעשויים להיות מרוחקים מאוד זה מזה – סותרת ממבט ראשון  את תורת היחסות הפרטית של איינשטיין, האוסרת על העברת אינפורמציה בין שתי נקודות במרחב  במהירות העולה על מהירות האור. במבט מעמיק יותר, מסתבר ששזירה קוונטית  איננה סותרת את תורת היחסות, שכן לא ניתן להשתמש בתופעה זו  להעברת מידע  בין שני המקומות הרחוקים בהם נמצאים החלקיקים. בנט וברסר, ועמיתיהם, הראו שניתן להשתמש בשזירה להעברת מצבים קוונטיים (קיוביטים) בין שתי מערכות במרחק כלשהו זו מזו, באמצעות ערוץ תקשורת קלאסי בלבד. תהליך זה מכונה "טלפורטציה קוונטית". הוא  כרוך בהעברת מידע קוונטי ואיננו מפר את מגבלת מהירות האור המתייחסת למהירות העברת אינפורמציה ממקום למקום, במילים אחרות, המצב הקוונטי המשולב של שני החלקיקים משתנה באופן מידי גם אם המרחק ביניהם גדול ביותר. תורה זו פותחה על ידי  בנט וברסר (יחד עם עמיתים אחרים) ב-1990. מאז ועד היום  –28 שנים מאוחר יותר – הודגמה תופעת הטלפורטציה בניסויים רבים ובמרחקים שונים, חלקם עולים על 1000 קילומטרים. אין ספק כי בעתיד יהיו לתגלית זו השלכות משמעותיות על תחום התקשורת המאובטחת.

התיאוריות החדשות של בנט וברסר המבוססות על תורת הקוונטים, מציעות אבטחה חסרת תקדים הן להעברת מידע באופן קלאסי והן כאמצעי האולטימטיבי להעברת מידע קוונטי. עבודתם החלוצית הרחיבה את גבולות פיזיקת הקוונטים, את תורת האינפורמציה והחישוביות, והעשירה ללא הכר את שלושת תחומי המחקר המרכזיים הללו.