מה קורה במעבדות של רפאל ומי מחפש חיים מחוץ לכדור הארץ

שימוש בחיישנים בשדה הקרב העתידי

ד"ר אלון גבאי, עמית מחקר במחלקת מערכות זעירות ברפאל

על מנת לשפר ביצועים ולהקנות יכולות חדשות עבור פלטפורמות אזרחיות וצבאיות, לרבות מטוסים, רכבים אוטונומיים וכלי טיס בלתי מאוישים, מתבצע בעשורים האחרונים תהליך של שיפור חיישנים ושימוש בטכנולוגיות חישה חדשות.

יכולות החישה המדויקות ביותר של זמן, שדה מגנטי, גרביטציה ועוד מתבססות על חיישנים קוונטים. ליבת החישה מתבססת על אינטראקציה אלקטרומגנטית עם אטומים. חיישנים וקונספטים מסוג זה קיימים כבר יותר מ-50 שנה, אולם נמצאים לרוב במעבדות האקדמיה ובגדלים כאלו שלא מאפשרים הטמעה בפלטפורמות אזרחיות וצבאיות, ולעתים אף אינם ניידים.

שילוב של טכנולוגיית קוונטים עם טכנולוגיות מזעור (MEMS - Micro Electro Mechanical System), מאפשר למזער את מערכי הניסוי הגדולים הקיימים באקדמיה עד לרמת שבב. מזעור שכזה מאפשר שימוש ביכולות החישה הקוונטיות המדויקות למגוון רחב של פלטפורמות, אזרחיות וצבאיות, כדי לתת מענה לאתגרי שדה הקרב העתידי.

מזעור טכנולוגיות קוונטיות מייצר אתגרים טכנולוגיים והנדסיים במספר מישורים, כגון אופטיקה זעירה, פיזיקה וכימיה קוונטית, מיקרו מכניקה, בקרה ועיבוד אותות ותהליכי מיקרו-פבריקציה לייצור תאים זעירים (בגדלים מילימטרים) המאכלסים את האטומים האלקליים המהווים את ליבת החישה הקוונטית.

 השבבים של רפאל / צילום: רפאל

עיקר העשייה של מרכז המזעור ברפאל הוא פיתוח וייצור מערכות מיקרו אלקטרו-מכניות (MEMS) למגוון יישומים. המרכז כולל חוקרים ממגוון רחב של דיסציפלינות ומתקן פבריקציה מתקדם שמאפשר את מזעור החיישנים הקוונטים והבשלתם מרמה של מערך ניסוי למוצר.

למדוד את כוח הכבידה

חן אבינדב, חוקר במרכז לטכנולוגיות קוונטים ברפאל ודוקטורנט במכון ויצמן

בדומה לתפוח המפורסם שנפל על ראשו של אייזק ניוטון, ולכדורי המתכת שגלילאו גליליי הפיל ממגדל פיזה, הצוות במעבדה לוכד אטומים בתוך תא ואקום, מקרר אותם קרוב מאוד לאפס המוחלט ומשחרר אותם ליפול. במהלך הנפילה שלהם, תנועת האטומים נמדדת על ידי קרני לייזר וכך ניתן ללמוד כמה מהר הם מאיצים, או מה כוח הכובד שפועל עליהם.

המעבדה ברפאל, שהוקמה בשיתוף פעולה עם מכון ויצמן למדע, היא הראשונה מסוגה בישראל שחוקרת ומפתחת את הטכנולוגיה הזו. כוח הכובד הוא גודל שקשה למדוד באופן מדויק, אך המערכות הנבנות כאן מאפשרות מדידה שלו ברמת דיוק כזו שמאפשרת לזהות את השינויים המזעריים בכבידה כתוצאה מתנועת הירח סביב כדור הארץ.

 רכב אוטונומי של גוגל / צילום: shutterstock, שאטרסטוק

בעוד שברוב העולם מדידות כאלו מוגבלות לביצוע במעבדה, הצוות ברפאל ובמכון ויצמן מפתח ומיישם שיטות קוונטיות חדשניות שיאפשרו לחיישני כבידה מדויקים לפעול בתנאים המאתגרים ב'עולם האמיתי'. חיישנים אלו יאפשרו מדידות מסוג חדש שלא היו זמינות עד כה, ובכך יהוו בשורה ויפתחו פתח ליישומים ביטחוניים ואזרחיים רבים.

לחפש חיים בחלל החיצון

בני לוי, מנכ"ל ומהנדס ראשי, אקיוביט

צורת המדידה הכי מדויקת הקיימת כיום היא מדידת הזמן; אך האם שעון היד שכולנו משתמשים בו מדייק? באקיוביט, שעוסקים בפיתוח ובייצור של שעונים אטומיים, עוסקים בחשיבות הדיוק.

לשעונים רגילים יש סטייה ואנו נאלצים לאפס אותם מדי פעם ובכך ממשיכים את יומנו. אך הזמן לא בא לידי ביטוי רק בהגדרת סדר האירועים. השעונים האטומיים מאפשרים סטייה של שנייה באלפי שנים. זה אומר שבשנה זה סוטה במניונית השנייה. דוגמא מוכרת היא מערכת ה-GPS שמבוססת על שעון אטומי, הלוויינים מודדים ומקזזים את הזמן המדויק שנגיע ליעד, אילולא השעונים האטומיים הניווט המדויק לא יכול להתקיים. ואילולא ה-GPS לא היה WAZE. אך האם הניווט זה השימוש היחידי? השימושים כיום בשעונים אטומיים פותחו ועברו מהפכה טכנולוגית גדולים, הם משולבים בתחומי החלל, בתחומים צבאיים, בתשתיות לאומיות של המדינה.

בתחום החלל, השימוש בניווט GPS על בסיס שעונים אטומיים מאפשר את ה -WAZE, והשעה המדויקת בטלפון הנייד מתבססת על בסיס ניווט גלובלי בלוויינים ותחנות קרקעיות. שימוש מרתק לא פחות שאקיוביט בנתה וסיפקה הוא שעון אולטרה מדויק במימון של סוכנות החלל הישראלית, שצפוי להיות מותקן בחללית AIR BUS שתשוגר ב-2022 לכוכב צדק מרחק של 8 שנות טיסה ותגיע לשם ב-2030. מדענים ממכון ויצמן יחקרו האם יש בכוכב צדק מים, כסימן לחיים. שעון מדויק ישמש לצורך מציאת חיים מחוץ לכדור הארץ.

בתחום הצבאי, השעונים האטומיים מאפשרים שימוש בתקשורת חסינה, ללא הפרעות וללא חסימות ושיבושי אויב. במשימות מודיעין ניתן לאכן האזנות ולדעת איפה נמצא האויב. ניתן גם לפגוע בסוללת טילים באמצעות איכון המכ"ם.

שימוש מעניין נוסף הוא גילוי הונאות GPS. בעידן של פייק ניוז, קיימים ניסיונות לזייף את סיגנל ה-GPS החל מבלבול הנוסע בהגעתו ליעד שגוי ועד שיבוש של התנועה. האם שעונים אטומיים יאפשרו לגלות את האות המזויף ולתקן אותו? בשיחה עם בני הוצגו מגמות העתיד בנושא, הפתרונות והבשורות.

גם בעולמות הסייבר יש חשיבות לשימוש בשעונים אופטיים. לישראל יש תשתיות לאומיות רבות שנוגעות לביטחון המדינה כמו חברת חשמל, תשתיות סלולר, מים ובנקים שהאויב יכול ואף מנסה לשבש, ושעונים אטומיים יכולים לגלות את ניסיונות ההונאה ולמנוע את היכולת.

העולם כיום עם הפנים לפיתוח טכנולוגיות ממוזערות וזהו בין היתר עיסוקו של המאגד, שמפתח את טכנולוגיות העתיד אשר חייבות להיות מדויקות יותר וממוזערות יותר. כפי שראינו, השימושים בשעונים האטומיים באים לידי ביטוי בחלל, בצבא, בביטחון ובתשתיות לאומיות ולכן הכול עניין של זמן.

פעילות מחקר חדשנית בטכניון

פרופ' גדי אייזנשטיין, הקתדרה באופטו-אלקטרוניקה ע"ש זיידן, הטכניון

אחד האתגרים העיקריים בפיתוח טכנולוגיות קוונטיות הוא המעבר ממערכות מעבדה בסיסית להתקנים ומערכות הנדסיות אותן יהיה לפתח לשימושים במחשוב, תקשורת וחישה קוונטיים.

נקודת המפתח היא היכולת לעבוד בטמפרטורת החדר. רוב הרכיבים והמערכות הקוונטיות פועלות כיום בטמפרטורת נמוכות ובתנאים שמצריכים בידוד מהסביבה, מה שמסרבל ומייקר אותן.

בטכניון החלה לפני מספר שנים פעילות מחקרית ממוקדת בקידום רכיבים קוונטיים שמבוססים על מוליכים למחצה ננומטרים, בדרך כלל נקודות קוונטיות, שפועלים בטמפרטורת החדר ומוזנים חשמלית כמו כל רכיב אלקטרוני ואופטו-אלקטרוני בטכנולוגיות מקובלות.

תופעות קוונטיות מתקיימות כאשר הרכיבים נמצאים במשטר קוהרנטי שנמשך זמן מוגבל שנקרא זמן הקוהרנטיות. אחרי אותו זמן, התופעות הקוהרנטיות דועכות ולבסוף נעלמות. מקובל להאריך את זמן הקוהרנטיות על ידי קירור. גישת הטכניון מבוססת על העיקרון של החלפת הקירור בהפעלת הרכיבים בעזרת פולסי אור קצרים ביותר, אותם קל לממש, כך שגם בטמפרטורת החדר, כשזמן הקוהרנטיות קצר, יש מספיק זמן לממש ולבחון את התופעה הקוונטית.

ההרצאה התמקדה בהסבר קצר של העקרונות המנחים את פעילות הטכניון ונסקרו מספר ניסויים קוונטיים שבוצעו בהצלחה במהלך השנים האחרונות. כמו כן תואר הפוטנציאל והחזון למימוש רכיבים קוונטיים מעשיים ואפליקציות שהם יאפשרו.

לסנכרן את הרכב האוטונומי

פרופ' יוסי פנחסי ראש המעבדה לתקשורת אלחוטית, חישה מרחוק ומכ"מ, הפקולטה להנדסה, אוניברסיטת אריאל

אחד האתגרים בחברה האנושית הוא הרצון להיות ניידים ולא מקובעים למקום אחד. המשמעות היא להיות אלחוטיים. בנוסף, הפצת זמן, ודיוק הזמן בפרט, הוא עיסוק מרכזי במאגד מאחר והוא עוסק בשעונים אטומיים והם מאפשרים להחזיק זמן לאורך זמן ובדיוק גבוה. את השילוב בין השניים - זמן וניידות - חוקר פרופ' פנחסי.

בראייתו גם בהפצת זמן רוצים כיום להיות ניידים/אלחוטיים, להפיץ את הזמן לכל מקום ובלי לחייב קשר פיזי או קווי ולהתבסס על סיב אופטי. לדוגמא, על מנת שלשני אתרים מרוחקים יהיה זמן משותף, בדיוקים מאוד גבוהים, הם צריכים לקבל זמן אחד מהשני אך הוא מבוסס על סיבים אופטיים. יש כיום המון שיטות מוכרות ברשת המכשירים, האינטרנט, GPS, תקשורת לוויינית ועוד, אך הזמן נתון להפרעות ואי דיוקים.

בהרצאה פרופסור פנחסי הציג את מחקרו בנושא הפצת זמן בצורה אלחוטית. המחקר שנמצא בעיצומו, בודק האם ניתן להפיץ את הזמן מאתר לאתר, באופן אלחוטי אשר לא תלוי בסיבים אופטיים ובדיוק מאוד גבוה. במחקרו מתבססים על מערכת זמן מדויקת שפותחה בשוויץ (The White Rabbit) אך היא מבוססת על סיבים אופטיים. צוותו של פנחסי בודק כיצד ניתן להפיץ את הזמן באופן אלחוטי על בסיס אותה מערכת. בנוסף, בעיה נוספת עלייה מדבר פנחסי וצוותו עובדים על פתרון, כשמועברת תקשורת אלחוטית היא חשופה להפרעות והיא מוגדרת כ'רב נתיב' מאחר וגלי הרדיו מתפשטים באוויר בכל מיני צורות ובמסלולים שונים נוצרות השהיות לא קבועות שפוגעים בדיוק בזמן.

הצלחה במחקר תסייע רבות בהמון תחומים. בין היתר בשימוש פופולרי כמו של רכב אוטונומי שנוסע וצריך להיות מסונכרן בזמן שלו, ביחס לרכבים האחרים ולעולם. להפעיל אותו הוא יכול לקבל פקודה מאוחר מדי ולא לפעול מספיק מהר וצריך מערכת הפצת זמן שזה המרכז לבין הרכבים האוטונומיים ולכן צריך בגלי רדיו, בתקשורת אלחוטית.

למדוד את הזמן בצורה מדויקת

ד"ר ניצן אקרמן, מדען סגל בפקולטה לפיסיקה במכון ויצמן

ד"ר אקרמן הוא פיזיקאי שמתעסק בבנייה של שעונים אטומיים אופטיים. בהרצאתו הוא יעמוד על ההבדל בין שעון אטומי לבין שעון אטומי אופטי וחשיבותו.

השעונים האופטיים מבוססים על פיזיקה גדולה, במקום שיתקתקו 9 מיליארד פעמים בשנייה, מעבר באור הנראה, האור המתקתק בתדר של האור 10-15 מחזורי הרץ בשנייה. ככל שיש שעון שמתקתק יותר מהר ניתן למדוד זמן יותר מדויק וככל שהמחזורים יותר קצרים וסופרים אותם, כך יהיה דיוק גבוה.

אם בשעון אטומי רגיל מה שעושה את הפעולה המחזורית זה האלקטרוניקה, באופטי הפעולה היא על ידי לייזר (אור אדום) שמייצב את התדר בדיוק של 16 מחזורי הרץ בשנייה, מה שמגדיל את הדיוק.

האפליקציות בחיי היום יום מוגבלות לחפש דברים כמו פיזיקה חדשה, ולמעשה השעונים יכולים להפוך לחשובים לזה שהם יוכלו להחזיק חודשים רבים ולשמור על רמת דיוק יותר גבוהה.

איך עובדים מגנומטרים אופטיים

ד"ר מנחם גבעון, אוניברסיטת בן גוריון שבנגב

ההרצאה סיפקה תיאור ברמה העממית של שני יישומים של אינטראקציה בין אטום לאור: מגנומטרים אופטיים ושעונים אטומיים.

ד"ר גבעון יציג את הפעולה הבסיסית של מגנומטרים אופטיים ושעונים אטומיים, כולל תיאור כיצד ניתן להשתמש בלייזרים כדי לקרר אטומים עד כמעט לאפס המוחלט.
כמו כן הוא יתאר את המשימות העיקריות של העבודה שלו כחלק מקונסורציום הפיתוח של טכנולוגיות קוונטיות.

לשפר את מערכות החישה

פרופסור אבי פאר, ראש המעבדה לאופטיקה קוונטית באוניברסיטת בר אילן

ההרצאה עסקה בחישה קוונטית. לחישה, או לרגישות וגילוי, קיימות מגבלות של פיזיקה קלאסית, כמו בשימושים של אור רגיל, גבול הרעש הקלאסי מהווה מגבלה שקיימת לכל מקורות האור הקוונטי. בחישה קוונטית מנסים לשפר את רגישות מערכות החישה מעבר לגבול הקלאסי, ולכך יש יתרונות גדולים.

פרופ' פאר יתאר בהרצאתו שיטה שמשתמשת במגברים פרמטריים המסוגלים לדחוס את הרעש הקוונטי ועל ידי זה לשפר את הרגישות של כל משימה ובפרט בחומרים. הוא יציג סכמת חישה חדשה ושונה שמאפשרת חסינות למגבלות טכניות וליהנות מיתרונות הקוונטים באפליקציות אמתיות ולעקוף קשיים שנתקלים בהם כיום.

מדוע יש צורך בחיישנים רגישים

יוסי רוזנצוייג, התעשייה האווירית

ההרצאה נתנה רקע כללי לגבי העניין העולמי ההולך וגובר בטכנולוגיה קוונטית בכלל, ובמגנטומטריה קוונטית בפרט.

ההרצאה כללה הסבר פשטני לגבי אופן הפעולה של טכנולוגיות קוונטיות העובדות בצורה אופטית לחלוטין ותסביר מדוע יש צורך בחיישנים רגישים כל כך. בנוסף, ניתנו מספר דוגמאות לאפליקציות אפשריות.

לבסוף, ניתנה סקירה של חלק מהמשימות של התעשייה האווירית במסגרת המאגד לטכנולוגיה קוונטית ואת ההתקדמות שנעשתה בהן.

שעון איטרביום אופטי

ד"ר דוד גרוסוסר, אוניברסיטת בן גוריון שבנגב

שעונים אופטיים הינם מכשיר המדידה המדויק ביותר שהמין האנושי המציא עד היום. בהרצאה תוארה פעולת שעון אופטי המבוסס על לכידה של אלפי אטומי איטרביום בסריג אופטי. שעון מטיפוס זה מפגין רמות אי-וודאות סטטיסטית וסיסטמתית הנמוכות ביותר שנמדדו עד היום. בזכות כך, שעונים אלו הינם כ"כ מדויקים שהם אף מסוגלים לשמש כגלאים של כבידה, ויכולים לתרום בחיפוש אחר חומר אפל.

כיום פועלים בעולם שעונים אחדים בלבד מסוג זה. בקבוצת השבב האטומי אנו מפתחים שעון נוסף אשר ישמש למחקר בסיסי וכבסיס להפצת תדר מדויק במדינת ישראל על בסיס רשת האינטרנט של מרכז החישובים הבין אוניברסיטאי.

גילוי מלא: האירוע נערך בשיתוף ובחסות חברת רפאל