ניסוי אליצור-ויידמן

ניסוי אליצור-ויידמן הוא ניסוי מחשבתי במכניקה קוונטית אשר הוצע ב-1993 על ידי הפיזיקאים הישראלים אבשלום אליצור ממכון ויצמן למדע ולב ויידמן מאוניברסיטת תל אביב. הניסוי מנצל את תכונת הסופרפוזיציה של חלקיקים שמאפשרת להם להיות במקומות שונים באותו זמן, כדי לבצע "מדידה ללא התערבות" (Interaction-free measurement) - במקרה של ניסוי זה בדיקה של פצצות בלי שהחלקיקים באים במגע כלשהו איתן. הניסוי ניתן להמחשה בעזרת אינטרפרומטר מאך-זנדר כאשר במסלול קרן האור מוצבת פצצה עם מרעום רגיש לאור. המאמר המקורי של אליצור וויידמן המחיש את העיקרון באמצעות האנלוגיה הבאה: נניח כי קיים מאגר של פצצות, המופעלות על ידי גלאי רגיש ביותר המחובר למרעום: די בפוטון בודד אשר יפגע בגלאי כדי להפעיל את המרעום ולפוצץ את הפצצה. חלק מהפצצות הן נפלים - הגלאי אינו תקין ואינו יכול לקלוט פוטונים, ולכן הן לא יתפוצצו. האתגר הוא לגלות פצצות תקינות בלי לפוצצן. נתקין את הניסוי הבא: פוטון בודד נשלח ממקור אור (A) ונפגש במפצל קרניים (שניתן לדמותו כמראה כסופה-למחצה שמעבירה חצי מהאור ומחזירה את החצי השני בזווית של 90 מעלות). בשל תכונת הסופרפוזיציה הקוונטית, הפוטון יעבור הן במסלול התחתון המוביל לגלאי שעל הפצצה (B), והן במסלול העליון העוקף אותו. שני המסלולים נפגשים שוב במפצל הקרניים השני, הזהה לראשון, וממנו ממשיכים אל שני גלאים נוספים (C ו-D). המסלולים המובילים לגלאי C הם באותו אורך, ולכן על הגלאי C יש התאבכות בונה בין פונקציות הגל של הפוטון משני המסלולים. לעומת זאת, המסלולים המובילים לגלאי D נבדלים באורכם - במסלול אחד הפוטון מבצע שני מעברים דרך מפצל, ובשני הוא מוחזר פעמיים ואינו עובר דרך המפצלים. האינטרפרומטר בנוי כך שההפרש בין אורכי המסלולים שקול לחצי מאורך הגל של הפוטון, כך שעל הגלאי D תיווצר התאבכות הורסת בין פונקציות-הגל משני המסלולים. עוצמת פונקציית הגל היא ההסתברות לגילוי הפוטון בגלאי. כאשר הפצצה היא נפל, הפוטון אינו מבצע אינטראקציה עם הגלאי התקול, ועובר בשני המסלולים "במקביל" ללא העדפה, ולכן הוא ייקלט בגלאי C בהסתברות 1 (ולעולם לא בגלאי D). אך מה יקרה כאשר הפצצה תקינה? במקרה כזה הגלאי שעל הפצצה פועל כמכשיר מדידה (ראה בעיית המדידה) וכתוצאה מכך פונקציית הגל "קורסת" לאירוע עם שתי תוצאות אפשריות. אם הפוטון "בוחר" במסלול העובר דרך גלאי B הוא ייבלע בו והפצצה תתפוצץ; אם נבחר המסלול העוקף את B, הפוטון יגיע אל מפצל הקרניים השני, ומשם הוא יכול להגיע בהסתברות שווה אל C או אל D - שלא כמו במקרה של נפל, אין התאבכות הורסת עם פונקציית הגל במסלול התחתון. אם הפוטון נקלט בגלאי D, נדע בוודאות שהפצצה איננה נפל, שכן מצב כזה לא ייתכן כאשר לא מתקיימת מדידה והפוטון נמצא בסופרפוזיציה של שני מסלולים. אם הפוטון נקלט בגלאי C לא נוכל לדעת בוודאות. לסיכום, בניסוי יש שלוש תוצאות אפשריות: הפוטון ייקלט בגלאי B - ואז נלמד שהפצצה הייתה תקינה, אך היא התפוצצה. הפוטון ייקלט בגלאי C - לא נלמד דבר. הפוטון ייקלט בגלאי D - נלמד שהפצצה תקינה בלי שהיא תתפוצץ (מדידה ללא אינטראקציה). אם נריץ את הניסוי מספר רב של פעמים, בחלק מהמקרים נפוצץ פצצות תקינות, אך בחלק אחר מהמקרים נצליח לזהות בביטחון מוחלט פצצות תקינות מבלי שפוצצנו אותן. אם הפצצה תקינה, ההסתברות שהיא תזוהה ללא פיצוץ היא 1/4 בניסוי בודד, ו-1/3 אם חוזרים על הניסוי עד שתתקבל תוצאה החלטית. תוצאה זו לא ניתנת להסבר בפיזיקה קלאסית. ב-1994 ביצע אנטון ציילינגר באופן ממשי ניסוי שקול לניסוי זה. מאז פורסם המאמר המקורי של אליצור וויידמן, הצליחו אחרים להראות כיצד ניתן לתכנן מנגנון ניסויי מורכב יותר, אשר באמצעותו ניתן להוריד את שיעור אובדן הפצצות התקינות לערך השואף לאפס. הניסוי הוכתר בידי כתב העת "New Scientist" בשנת 2010 כאחד משבעת הפלאים של תורת הקוונטים. R. Penrose, The Road to Reality: A Complete Guide to the Laws of Physics. Jonathan Cape, London, 2004 מדיה וקבצים בנושא ניסוי אליצור-ויידמן בוויקישיתוף נעה פלדמן, הניסוי המחשבתי שהתממש, במדור "חדשות מדע" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 13 בפברואר 2024 A. C. Elitzur and L. Vaidman, Quantum mechanical interaction-free measurements, Foundations of Physics 23, 1993, pp. 987-997. P. G. Kwiat; H. Weinfurter; T. Herzog; A. Zeilinger; M. A. Kasevich (1995). "Interaction-free Measurement". Physical Review Letters. 74 (24): 4763–4766. Bibcode:1995PhRvL..74.4763K. doi:10.1103/PhysRevLett.74.4763. PMID 10058593. Seven wonders of the quantum world, New Scientist, 5 May 2010 (באנגלית).