דייוויד וינלנד

דייוויד ג'פרי וינלנד (באנגלית: David Jeffrey Wineland; נולד ב-24 בפברואר 1944) הוא פיזיקאי אמריקאי, חוקר במעבדה לפיזיקה של המכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה (NIST) בבולדר, ועמית מחקר באוניברסיטת קולורדו, זוכה פרס נובל לפיזיקה לשנת 2012. חלק ממחקריו הביאו להתקדמות בתחום האופטיקה, בפרט בקירור יונים באמצעות לייזרים במלכודת פאול, ושימוש ביונים הלכודים כדי לבצע פעולות מחשוב קוונטי. בשנת 2001 זכה בפרס ארתור שולוב במדעי הלייזר, ובשנת 2012 זכה בפרס נובל לפיזיקה יחד עם סרז' הרוש, על "שיטות מחקר פורצות דרך המאפשרות יכולות מדידה ותמרון של חלקיקים בודדים תוך שימור הטבע הקוונטי שלהם בדרכים שבעבר נראו בלתי אפשריות". כיום הוא מלמד באוניברסיטת קולורדו, באוניברסיטת אורגון וממשיך לחקור במכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה בבולדר. 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(אנ') אותם סיים בשנת 1970. לאחר סיום לימודיו הצטרף לקבוצת המחקר של זוכה פרס נובל פרופ' הנס דלמט 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. מאז תחילת התפתחות המכניקה הקוונטית ועד לראשית שנות השבעים, הניסויים שנערכו לבדיקת השיטה היו בעיקרם מחשבתיים ומתמטיים-תאורטיים. זאת בשל מורכבות התהליכים הקוונטים, הנובעים מאינטראקציות רבות ומורכבות, וכן הקושי לבודד חלקיקים מסביבתם תוך שמירה על תכונותיהם הקוונטיות. בשנת 1970 פותחה שיטה ללכידת חלקיקים טעונים (יונים) שתיקרא לימים מלכודת פאול ושזיכתה את ממציאיה פאול ודלמט בפרס נובל בפיזיקה לשנת 1989. הבסיס למחקרו של וינלנד היה מלכודת פאול. בהמשך הציע וינלנד - יחד עם הנס דלמט, ובמקביל לארתור שולוב ולתאודור הנש(אנ') שהגישו הצעה דומה - שיטה של קירור דופלר(אנ') (סוג של קירור לייזר), המשמשת לקירור יונים. 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. השיטה שפיתח ווינלנד ליכולת שליטה מדויקת על יונים הובילה לפיתוח שעונים אופטיים העולים בסדרי גודל על שעוני הצזיום ששימשו למדידה עד לווינלנד. 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. 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 קוונטים שמתקשרים ביניהם, תוך שמירה על תכונותיהם הקוונטיים. והישג זה מהווה אבן דרך להמשך פיתוח המחשוב הקוונטי. אתר האינטרנט הרשמי של דייוויד וינלנד (באנגלית) מדיה וקבצים בנושא דייוויד וינלנד בוויקישיתוף דייוויד וינלנד, באתר פרס נובל (באנגלית) דייוויד וינלנד, באתר dblp דייוויד וינלנד, באתר גוגל סקולר פרס נובל לפיזיקה לשנת 2012 לפורצי דרך בתחום האופטיקה הקוונטית סרג' הרוש ודייוויד וויינלאנד, באתר הידען דייוויד וינלנד, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית) אסף שטול-טראורינג, פרס נובל לפיזיקה - חוקרי הקוואנטים שסוללים את הדרך למחשבי העתיד, באתר הארץ, 9 באוקטובר 2012