להעמיד דברים על דיוקם

מדיוק של מיליארדיות השנייה בחלל העמוק ועד לניווט חסין לשיבושי GPS – מפת הדרכים למעבר משעונים אטומיים לחיישנים מבוססי אטומים קרים במרוץ הישראלי לחיישנים קוונטיים

עבור רובנו, זמן הוא מושג מופשט הנמדד בשעות ובדקות. עבור בני לוי, מנכ"ל אקיוביט (AccuBeat), זמן הוא משאב פיזיקלי מדיד בדיוק של ננו-שניות, ובלשון העם מיליארדיות השניה. שעונים כאלה מהווים תשתית לכל מערכת טכנולוגית מודרנית.

אקיוביט הוקמה ב-1993 על ידי לוי והפיזיקאי ד"ר אבינועם שטרן, ומאז כבר תפסה את מקומה בהיסטוריה ונחשבת לאחת החברות המובילות בעולם בפיתוח וייצור פתרונות תזמון ותדר מדויקים. אקיוביט מפתחת חיישנים קוונטיים המבוססים על שעונים אטומיים,  כאשר השעון עצמו הוא החיישן. במקום למדוד תכונות כמו טמפרטורה או משקל, הוא מודד זמן ותדר בדיוק קיצוני, שמאפשר להסיק מהם מידע מדויק על מיקום, תנועה ותופעות פיזיקליות נוספות.

"לאחר שמפתחים שעון אטומי מדגמים שונים, אחד האתגרים הוא לקחת משהו שעובד במעבדה ולהפוך אותו למוצר שעובד בעולם האמיתי. (מטוסי קרב, מסוקים, מלטים, צוללות, ספינות, סביבות עבודה אזרחיות ובסביבות בטחון המולדת וכדומה)  והבעיה אינה רק הנדסית אלא פיזיקלית עמוקה", מסביר לוי. "כדי לבנות חיישן כזה לא מספיק 'לבנות מוצר', צריך לשלוט בתופעות קוונטיות, חומרים ואינטראקציות עדינות בין אור, אטומים ותדרים. זה ההסבר לכך שהתחום מתקדם לאט יחסית, אבל זה גם ההסבר לעובדה שמי שכן מצליח – מחזיק ביתרון אמיתי".  המטרה הברורה היא עצמאות טכנולוגית בתחום הזמן והתדר. מדינה שלא שולטת בדיוק שלה בעצמה, תלויה באחרים ונשארת פגיעה. החיישן הקוונטי אינו רק כלי מדידה, אלא דרך להתגבר על תלות במערכות חיצוניות לא אמינות, ובעיקר מערכות GPS. כידוע, מערכות חיצוניות כאלה משודרות מהחלל וניתנות לשיבושים קשים הן של חסימות והן של הונאות. מדידת זמן עצמאית ומדויקת על ידי שעון אטומי עצמאי, מאפשרת לנווט, לאכן ולסנכרן מערכות גם כשגורם עוין משבש או מזייף את האותות מבחוץ. באקיוביט מתמודדים עם הבעייה דרך השעון האטומי – הרכיב הקוונטי שנמצא בלב כל המערכות שהחברה מפתחת, מייצרת ומספקת ללקוחותיה בארץ ובעולם הן לתחומים אזרחיים, צבאיים וכאמור, גם לתחום החלל.  

השעון האטומי – היישום המעשי הראשון של תורת הקוונטים שהוקם בישראל על ידי אקיוביט, בשנות ה-90,  מהווה היום תשתית קריטית למערכות תקשורת חסינות, מערכות מודיעין סיגינט, מערכות ניווט משוכללות, מערכות שליטה ובקרה, מכ"מים משוכללים ועוד, כמו גם במערכות אזרחיות וביטחון המולדת בהן  קיימות מערכות תקשורת סלולר, תקשורת קווית, מערכות החשמל, מערכות ניווט, בנקים, תחבורה, חיפושי גז ונפט,  מרכזי מחשוב ומערכות אזרחיות וביטחוניות שונות.

הדיוק של השעון, המבוסס על מעברי אנרגיה באטום הרובידיום שמומר לתדר מדויק, ובכך מאפשר לסנכרן בין חיישנים שונים בשטח לרמה של ננו-שניות – דיוק שבלעדיו מערכות אלה לא יכולות לתפקד.

אחד השעונים האטומיים שפיתחה החברה הישראלית אקיוביט הוא  שעון מדגם מיוחד אותו היא מספקת לסוכנות החלל האירופית לטובת מערכת Galileo – מערכת הניווט הלוויינית האירופית המקבילה למערכת ה-GPS  האמריקאית. בנוסף פיתחה אקיוביט גם שעון אטומי חסין להפרעות סביבה עבור חיל האוויר האמריקאי, ומתנד שנקרא USO (Ultra Stable Oscillator) המותקן היום בגשושית JUICE של סוכנות החלל האירופית (ESA), אשר שוגרה לפני כשנתיים וחצי וברגעים אלה מנווטת את דרכה לעבר ירחי צדק כחלק מניסוי בהובלת מכון וייצמן ואוניברסיטת רומא. שעון זה מגיע ליציבויות E-14,  ואף הוגדר על ידי הלקוחות כשעון היציב ביותר בעולם למשימות חלל עמוק.

החיישן המדויק ביותר בעולם

לוי מסביר את העיקרון הפיזיקלי של השעון האטומי דרך מבנה האטום: האלקטרונים מסתובבים סביב הגרעין ברמות אנרגיה מוגדרות (מסלולים). באמצעות השקעת אנרגיה ניתן לגרום לאלקטרון לעבור מרמת אנרגיה אחת לאחרת. כאשר האלקטרון חוזר למסלולו המקורי, הוא פולט קרינה אלקטרו-מגנטית בתדר יציב ומדויק. התדר משמש כנקודת ייחוס, לפיה מכוונים באופן רציף את השעון הגבישי שננעל על האטומים לשמירה על דיוק מקסימלי. כך הופכת תופעה פיזיקלית קוונטית מופשטת לכלי מדידה פרקטי של זמן ברזולוציה של מיליארדיות השנייה  ולא פחות חשוב: השעון שומר את הדיוקים שלו לאורך זמן ארוך ומאפשר לעבוד ללא GPS.

השעון האטומי הוא בראש ובראשונה חיישן תדר (Frequency Sensor) – מכשיר שמודד זמן בדיוק קיצוני של ננו-שניות,  אך הוא אינו רק מכשיר מדידה: בהקשרים ביטחוניים, השעון האטומי הוא רכיב המסנכרן בין חיישנים שונים: מכ"מים, מערכות מודיעין ומערכות תקשורת – ומאפשר להם לפעול יחד כמערכת אחת. ההבדל המהותי בין חיישן רגיל לבין התפיסה המערכתית של אקיוביט הוא ביכולתו של החיישן לפעול גם באופן עצמאי וגם כחלק מרשת חיישנים קוונטיים מבוזרת, שמייצרת יחד תמונת מציאות חדשה בעלת ערך מוסף גבוה.

לדוגמה, בעת איכון מטרות, כמה חיישנים הפזורים במרחב מודדים את זמן הגעת האות, ומהפערים הזעירים ביניהם נפתרת מערכת משוואות שמובילה למיקום מדויק מאוד. סנכרון זה הוא גם תנאי לתקשורת חסינה, לאיכון מקורות שידור אלקטרומגנטיים , כדוגמת מכ"מים ואמצעי תקשורת ולפעולה תקינה של תשתיות אזרחיות.

בניית שעון כזה היא לא רק אתגר הנדסי, אלא שילוב של 14 עד 16 דיסציפלינות טכנולוגיות שונות: מפיזיקה קוונטית ותרמו-דינמיקה, דרך מערכות ואקום ומיקרוגל, ועד הנדסת תוכנה, חומרה וקשיחות מכנית.

"אנחנו לוקחים אטומים  כמו רובידיום או צזיום שמתנהגים בצורה יציבה וצפויה ברמה הקוונטית  מכניסים אותם לתא זכוכית בוואקום ומקרינים דרכם אור", מסביר לוי. "כשהתדר שאנחנו מפעילים מדויק, האטומים בולעים את האור בצורה מקסימלית והשעון מתייצב על התדר המדויק של האטום, ומשתמש בו כבסיס קבוע למדידת זמן".

הדיוק הוא לב העניין של חיישנים קוונטיים: ככל שמודדים זמן בצורה מדויקת יותר, ניתן להסיק מידע מדויק יותר על העולם. אקיוביט מנצלת זאת כדי לאפשר מדידות מורכבות כמו איכון מיקום על בסיס הפרשי זמן זעירים בין אותות, סנכרון מערכות מבוזרות, או זיהוי שינויים פיזיקליים דרך השפעתם על תדר. החיישן אינו “רואה” את העולם ישירות, אלא מודד זמן ברמת דיוק כל כך גבוהה, שהזמן עצמו הופך לפרוקסי של מיקום, תנועה או תופעות פיזיקליות אחרות.

יישומים: תקשורת חסינה ותשתיות אזרחיות

אחד היישומים המרכזיים של הטכנולוגיה, המשמשים גם בעולמות המודיעין, הוא תקשורת חסינה. מדובר בפריסה של חיישנים מסונכרנים המאפשרת איכון של מקורות קרינה – מכ"מים או מכשירי קשר עם סטייה של מטרים בודדים, על ידי פתרון משוואות של הפרשי זמן הגעה, גם כשסיגנל ה-GPS נעלם או מזויף. לוי מתריע גם מפני איום הולך וגובר של זיוף אותות GPS.  באירוע כזה גורם עוין משדר אותות מזויפים שעלולים להסיט מטוסים, אוניות או רכבים אוטונומיים ממסלולם. שעוני אקיוביט מוגנים מזיופים כאלה ומסוגלים גם להתריע למשתמשים על זיוף.

הצורך בדיוק קוונטי מחלחל גם לתשתיות אזרחיות קריטיות. ברשתות חשמל, גנרטורים שונים חייבים לעבוד באותה פאזה בדיוק כדי למנוע "התאבכות הורסת" שעלולה לשרוף את המערכת. במדינות רבות הסנכרון מתבצע דרך GPS, אך בישראל, בשל המודעות הגבוהה לאיומי השיבושים  נעשה שימוש בשעונים אטומיים. יישומים דומים קיימים בבנקאות (חותמות זמן למיליוני פעולות מסחר בשנייה), בחיפושי נפט וגז (מדידת עיוותי זמן בגל חוזר מהקרקע) וברשתות סלולריות.

המהפכה הקוונטית השנייה

בשלב הפיתוח המתקדם, אקיוביט דוחפת את גבולות החיישנים הקוונטיים דרך שיפור היציבות והדיוק של האטומים עצמם. "אקיוביט מניעה את ה"מהפכה הקוונטית השנייה", טוען  לוי. "פרויקט הדגל הנוכחי הוא פיתוח שעון אטומים קרים – שנשמע כמו מדע בדיוני: בלימת אטומים לטמפרטורות הקרובות לאפס המוחלט, מינוס 273 מעלות. ככל שהטמפרטורה עולה, האטומים נעים בתזזיתיות שפוגעת בדיוק המדידה". בטכנולוגיה זו, משתמשים בקרני לייזר כדי "לבלום" את תנועת האטומים ולהביא אותם לטמפרטורה הקרובה לאפס המוחלט. במצב כזה רמות האנרגיה של האטום יציבות הרבה יותר, האטום כמעט קפוא במקומו, והמדידה הופכת מדויקת פי מאות עד אלפים. המשמעות היא חיישנים שמסוגלים לפעול לאורך זמן ללא תלות במערכות חיצוניות כמו GPS, ואפשרות לפתח יישומים חדשים בתחומים כמו ניווט, סייבר, חלל,  מערכות אוטונומיות, מרכזי נתונים ועוד.

ציר פיתוח נוסף הוא מזעור הגודל, המשקל וצריכת החשמל. אם בעבר שעון אטומי דרש חדר שלם, כיום אקיוביט כבר מייצרת שעונים בגודל קופסת גפרורים, כשהיעד הבא הוא רכיב של 13×13×13 מ"מ בלבד. "בחלל ובמל"טים, כמו גם במערכות ביטחוניות רגישות, כל גרם וכל מיליוואט הם משאבים יקרים", מסביר לוי. " האתגר ההנדסי הוא לקחת מעבדה קוונטית שתפסה בעבר חדר שלם במכוני המחקר ולדחוס אותה לרכיב עמיד שיכול לשרוד רעידות של שיגור טיל או טמפרטורות קיצוניות, ועדיין לשמר את הדיוק הקוונטי. שעון ממוזער כזה יאפשר יישומים עתידיים בלוויינים זעירים וברחפנים".

רשות החדשנות: מהמענק הראשון ועד לחזית הקוונטית

"בתחילת דרכנו, לפני כשלושים שנה, קיבלנו מענק מחקר ופיתוח של לשכת המדען הראשי דאז לפיתוח הארכיטיפוס של השעון האטומי הישראלי הראשון", מספר לוי. מאז, הקשר עם רשות החדשנות נשמר לאורך כל שלבי הפיתוח של החברה.

"ההשקעה המוקדמת אפשרה לנו להגיע להישגים בינלאומיים. אנחנו קוטפים היום את הפירות שהשקענו בהם לפני כשלושים שנה", אומר לוי ומציין כי "האקוסיסטם שרשות החדשנות מייצרת כאן הוא קריטי. מדינת ישראל חייבת לשמר ולפתח את העצמאות הטכנולוגית הזו. אם היום לא נשכיל להבין את החשיבות של השקעה בעולמות הקוונטום, נמצא את עצמנו בפיגור טכנולוגי בעתיד".

בנוסף, יש לכך חשיבות אסטרטגית: אקיוביט מפתחת ומייצרת את הטכנולוגיה כולה בישראל – מהפיזיקה הקוונטית, דרך הנדסת המערכת והאלקטרוניקה, ועד לייצור הסופי של הרכיבים. הגרעין הטכנולוגי, מא' ועד ת', הוא כחול-לבן ואינו תלוי בגורמים זרים – מאפיין שהופך את המוצר לנכס אסטרטגי של מדינת ישראל. "בסופו של דבר", מסכם לוי, "זהו שילוב של פיזיקה קוונטית עם חיי המעשה. היכולת להפוך מדע תיאורטי למוצר שעובד בתנאים הקשים ביותר היא הנכס האמיתי שלנו".

חיישנים קוונטיים – למדוד את מה שכמעט בלתי נראה

כל החיישנים הקוונטיים מבוססים על אותו עיקרון: רגישות גבוהה במיוחד לשינויים זעירים במערכת קוונטית, כמו מופע (Phase), ספין (Spin), או קוהרנטיות (Coherence).

החיישנים מתחלקים לשלוש קטגוריות עיקריות:

חיישני שדה

(Field Sensing)
מדידת שדות מגנטיים, חשמליים וכבידתיים

זמן ותדר

(Time & Frequency)
שעונים אטומיים

גילוי משופר קוונטית

(Quantum-Enhanced Detection)
מדידת אור, טמפרטורה וכוח

רשות החדשנות, בשיתוף מפא"ת, השקיעה בתחום עוד לפני תחילתה של התוכנית הלאומית הראשונה לקוונטום באמצעות מאגד חיישנים קוונטיים שנועד להבשלת הידע האקדמי והעברתו לתעשייה. המאגד כלל פיתוח מגנומטרים, חיישני כבידה ושעונים אטומיים.

בישראל פועלים כיום מרכזי מחקר לחיישנים קוונטיים במכון ויצמן, באוניברסיטת בר אילן, באוניברסיטה העברית ובטכניון, לצד חברות ביטחוניות גדולות כמו Elbit Systems, Israel Aerospace Industries ו Rafael  , Advanced Defense Systems, וחברות הזנק דוגמת  AccuBeat  ו-Nano Dotz.