דייוויד וינלנד

קורות חייו

דייוויד וינלנד נולד במילווקי, ויסקונסין בארצות הברית. את תוארו הראשון בפיזיקה קיבל וינלנד מאוניברסיטת קליפורניה, ברקלי בשנת 1965. בהמשך למד באוניברסיטת הרווארד תואר שני ושלישי תחת הנחייתו של זוכה פרס נובל פרופ' נורמן רמזי אותם סיים בשנת 1970. 
לאחר סיום לימודיו הצטרף לקבוצת המחקר של זוכה פרס נובל פרופ' האנס דלמוט  באוניברסיטת וושינגטון וחקר אלקטרונים באמצעות מלכודת יונים. בשנת 1975 הצטרף וינלנד להמכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה (NIST) שם הוא חוקר עד היום.          
וינלנד נשוי לסנדה קווימבי, לזוג שני ילדים. סנדה היא ביתו של הארכאולוג והאנתרפולוג ג'ורג קווימבי שהיה פרופסור לאנתרפולוגיה באוניברסיטת וושינגטון.

מחקרו

מאז התפתחות המכניקה הקוונטית בשל מורכבות התהליכים הקוונטים הנובעים מאינטראקציות רבות ומורכבות, והקושי לבודד חלקיקים מסביבתם תוך שמירה על תכונותיהם הקוונטיות הניסויים שנערכו לבדיקת השיטה הם בעיקרם מחשבתיים ומתמטיים תאורטיים. בשנת 1970 פותחה שיטה ללכידת חלקיקים טעונים (יונים) שתיקרא לימים מלכודת פאול ושזיכתה את ממציאיה פאול ודלמט בפרס נובל בפיזיקה לשנת 1989. השיטה בנוסף לגילוי שיטת קירור דופלר (סוג של קירור לייזר), שהוצע על ידי וינלנד ככלי לקירור יונים היוותה את הבסיס למחקרו של וינלנד. מלכודות יונים בנויות בוואקום גבוה במיוחד ומורכבת מקומבינציה של שדות אלקטרומגנטיים סטטים ודינמיים המושרים באמצעות אלקטרודות. וינלנד פיתח שיטה בה בעזרת שימוש במלכודת יונים הוא לוכד יונים בודדים, בעזרת שיטת קירור לייזר הנקראת קירור פס צידי (sideband cooling) הוא מוריד את היונים לרמות אנרגיה נמוכות, ואז בעזרת קרינת לייזר נוספת הוא מעלה את היונים למצב בו הרמה האנרגטית שלהם היא בין דרגות האנרגיה בהן הם יכולים להימצא ובעצם גורם ליונים להיכנס לסופרפוזיציה קוונטית כך שהם נמצאים בשתי הדרגות במקביל וניתן לחקור את תכונות הסופרפוזיציה באופן אמפירי. לפי תאוריית הקוונטים עצם המדידה שיוצרת אינטראקציה עם היונים, מאלצת את היונים לקרוס לאחד המצבים. בעבר היה נראה כי היכולת לצפות בסופרפוזיציה בצורה אמפירית היא בלתי אפשרית. אך שיטת המחקר של וינלנד הובילה ליכולת לתאר ולצפות בפרטי פרטים איך פעולת המדידה גורמת למצב הקוונטי לקרוס ולאבד את תכונת הסופרפוזיציה שלו. יכולת זו מאששת באופן אמפירי את התאוריה הקוונטית, שעד לגילויו של וינלנד הייתה בגדר תאוריה מחשבתית בלבד.

שעונים אופטיים

השיטה שפיתח ווינלנד ליכולת שליטה מדויקת על יונים הובילה לפיתוח שעונים אופטיים העולים בסדרי גודל על שעוני הצזיום ששימשו למדידה עד לוינלנד. מדידת זמן בסדרי גודל מדויקים מתבצעת בעזרת מדידת גל בתדירות ידועה שינויים בתדירות הגל. עד לווינלנד אורכי הגל בהם השתמשו היו גלי מיקרו בהם הדיוק לו הגיעו היה של סטיית זמן של 10⁻⁹ שניות ביום. בשיטתו של וינלנד בעזרת שימוש בכלוב היונים מספיקים שני יונים בלבד למדידת הזמן כאשר אחד מהיונים מודד את הזמן ומשמש כשעון, והיון השני בעזרת התהליכים שגילה וינלנד והיכולת לשמור על תכונותיהם הקוונטיות של היונים משמש לקריאת המדידות שהתבצעו בעזרת היון הראשון. שימוש בשעון שכזה מאפשר שימוש בגלים בעלי תדירות גבוהה מגלי מקרו כמו גלים בטווח הנראה ואפילו גלים על סגוליים. בשל כך הדיוק שנמדד ע"פ סטיות בתדר עולה ככל שהתדירות הניתנת למדידה עולה. ומכך הצליח וינלנד להגיע לדיוק של רק 10⁻¹⁷  שניות ליממה. להשגת דיוק כה רב יש השפעה מציאותית, שכן בעזרת דיוק כה רב יהיה ניתן להבחין בשינויים בזרימת הזמן, או שינויים בכבידה הנובעים מהתפשטות גלי כבידה במרחב.

מחשבים קוונטים

לשיטה של וינלנד ישנה גם חשיבות גדולה בתרומה למחשוב הקוונטי. במחשוב קוונטי לביט קוונטי או קיוביט יכול להיות סיגנל של 0 ו 1 בו זמנית בגלל תכונת הסופר פוזיציה של הקיוביטים, זאת בנוסף לשלל תופעות קוונטיות הניתנות לשימוש כמו שזירה קוונטית בה משתמשים בתהליכי חישוב מקבילי. אך לשם שימוש בקיוביט יש צורך בשליטה על מצבו הסופרפוזיצי של הקיוביט, תוך שמירה על תכונותיו הקוונטיות. קבוצת המחקר של וינלנד הייתה הראשונה להציג שליטה והפעלת אופרציות על 2 ביטים קווטים שמתקשרים ביניהם, תוך שמירה על תכונותיהם הקוונטיים. והישג זה מהווה אבן דרך להמשך פיתוח המיחשוב הקוונטי.