Lần đầu tiên giới khoa học chụp ảnh được hiện tượng rối lượng tử trong thời gian thực

Màn hợp tác giữa các nhà khoa học tới từ Đại học Ottawa và Đại học Sapienza đã lần đầu tiên ghi lại vũ điệu của hai hạt photon rối lượng tử với nhau trong thời gian thực.

Cụ thể, nhóm các nhà khoa học trình diễn một kỹ thuật mới cho phép họ dựng lại hình ảnh hàm sóng của hai hạt ánh sáng (photon) rối lượng tử với nhau.

Nếu so sánh cặp photon với một đôi giày, thì hiện tượng “rối lượng tử” có thể coi là chọn ngẫu nhiên một chiếc giày và khi xác định được nó, một người sẽ lập tức biết được bản chất của chiếc giày còn lại bất kể nó nằm ở đâu. Tuy vậy, yếu tố gây tò mò chính là sự bất định của quá trình xác định bản chất của chiếc giày, vốn không rõ ràng cho tới đúng thời điểm đo đạc.

Lần đầu tiên giới khoa học chụp ảnh được hiện tượng rối lượng tử trong thời gian thực
Dựng lại hình ảnh của cặp hạt photon rối lượng tử - (Ảnh: Nature).

Hàm sóng, vốn là nguyên lý trọng tâm của cơ học lượng tử, cung cấp cái nhìn cụ thể về trạng thái lượng tử của hạt. Như trong ví dụ về chiếc giày ở trên, “hàm sóng” của giày sẽ bao gồm những thông tin như giày trái hay phải, cỡ giày, màu giày, v.v…

Chính xác hơn, hàm sóng cho phép các nhà khoa học dự đoán kết quả của các phép đo đạc tính lượng tử của hạt, ví dụ như vị trí hay vận tốc.

Khả năng dự đoán này đáng giá ngàn vàng, nhất là khi lĩnh vực công nghệ lượng tử đang tiến bộ với tốc độ chóng mặt. Khi ta biết trạng thái lượng tử được sinh ra, hoặc biết được tính chất của hạt, ta có thể thử nghiệm được máy tính lượng tử. Hơn nữa, trạng thái lượng tử của hạt trong máy tính lượng tử vốn rất phức tạp, liên quan tới nhiều thực thể sở hữu những trạng thái lượng tử của riêng mình.

Việc xác định được hàm sóng của một hệ thống lượng tử vốn rất khó - quy trình này còn được gọi là chụp cắt lớp trạng thái lượng tử (quantum state tomography), hay ngắn gọn là chụp cắt lớp lượng tử (quantum tomography). Phương pháp cơ bản sẽ yêu cầu một lượng lớn các phép đo, số lượng tăng tỷ lệ thuận với độ phức tạp của hệ thống.

Nhưng nghiên cứu trước đây cho thấy: để chụp được trạng thái lượng tử của hai photon có trong một hệ thống phức tạp, một nhóm nghiên cứu sẽ mất vài giờ hay thậm chí vài ngày. Chưa hết, chất lượng kết quả đo đạc rất nhạy cảm với các tín hiệu nhiễu, đồng thời phụ thuộc nhiều vào độ phức tạp của hệ thống.

Có thể so sánh phương pháp quy chiếu của chụp cắt lớp lượng tử với việc nhìn vào bóng được chiếu lên tường của một vật thể. Dựa trên những gì quan sát được, các nhà khoa học có thể ước tính được trạng thái của toàn bộ photon. Ví dụ như từ hình chụp 2D, ta luận ra được dạng 3D của vật thể.

Trong quang học cổ điển tồn tại một cách khác để dựng được hình 3D. Được gọi là kỹ thuật chụp ảnh toàn ký kỹ thuật số (digital holography), phương pháp này dựa trên một hình ảnh duy nhất sinh ra từ lượng ánh sáng tán ra sau khi chiếu vào vật thể.

Lần đầu tiên giới khoa học chụp ảnh được hiện tượng rối lượng tử trong thời gian thực
Công nghệ càng phát triển, khả năng tạo hình 3D càng tiên tiến - (Ảnh: Internet).

Áp dụng và đồng thời mở rộng phương pháp này với một cặp hạt photon, nhóm nghiên cứu dẫn dắt bởi Ebrahim Karimi - đồng chủ nhiệm viện nghiên cứu Liên hệ Công nghệ Lượng tử Ottawa (NexQT) và Phó giáo sư công tác tại Faculty of Science - đã cố gắng chụp ảnh hiện tượng rối lượng tử.

Việc tái dựng trạng thái lượng tử của hai photon yêu cầu các nhà khoa học chồng lên chúng một trạng thái lượng tử khác vốn đã được tìm hiểu kỹ càng, sau đó phân tích vị trí của hai hạt photon. Kết quả việc ghi hình vị trí của hai photon được gọi là “ảnh trùng hợp ngẫu nhiên - coincidence image”. Những photon này có thể tới từ nguồn sáng được dùng trong thí nghiệm hoặc một nguồn không rõ khác, bởi lẽ cơ học lượng tử khẳng định rằng nguồn của photon không thể được xác định.

Quá trình đo đạc photon sinh ra những hình mẫu giao thoa mà từ đó, các nhà khoa học tính được hàm sóng. Thử nghiệm thành công là nhờ một hệ thống camera có thể ghi lại được những pixel ở độ phân giải nano giây.

Giáo sư Alessio D’Errico công tác tại Đại học Ottawa, cũng là một trong nhiều tác giả nghiên cứu mới, nhấn mạnh vào lợi thế của phương pháp nghiên cứu sáng tạo. “Cách này nhanh hơn nhiều những phương pháp trước đây, chỉ cần vài phút hoặc vài giây so với thời gian vài ngày như trước đây. Quan trọng nhất, thời gian [đo đạc ra kết quả] không bị ảnh hưởng bởi tính phức tạp của hệ thống”, giáo sư cho hay.

Nghiên cứu mới không chỉ có ý nghĩa với cộng đồng học thuật. Nó có tiềm năng đẩy nhanh tốc độ nghiên cứu công nghệ lượng tử, đơn giản như cải thiện khả năng xác định bản chất của trạng thái lượng tử, của các hệ thống liên lạc lượng tử, thậm chí giúp phát triển những phương pháp chụp hình lượng tử mới.

Nghiên cứu được đăng tải trên tạp chí Nature Photonics.

Từ khóa liên quan: