צ'רלס ה' בנט

צ'רלס ה' בנט זוכה פרס וולף בפיזיקה - 2018
צ'רלס ה' בנט

צ'רלס ה. בנט, זוכה פרס וולף בפיסיקה לשנת 2018

פרס קרן וולף לשנת 2018 בתחום הפיזיקה יינתן לדוקטור צ'רלס ה. בנט, פיזיקאי מ- IBM, ולפרופסור ז'יל ברסר, מדען מחשב מאוניברסיטת מונטריאול, קנדה, על ייסוד וקידום תחומי המחקר של קריפטוגרפיה קוונטית וטלפורטציה קוונטית.

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.