Serge Haroche và David J. Wineland độc lập nhau đã phát minh và phát triển những phương pháp mang tính đột phá để đo và xử lí từng hạt một trong khi vẫn giữ nguyên bản chất cơ lượng tử của chúng, theo những cách mà trước đó người ta nghĩ là không thể nào thu được.
Haroche và Wineland đã mở ra một kỉ nguyên thực nghiệm mới cho ngành vật lí lượng tử với việc chứng minh sự quan sát trực tiếp từng hệ lượng tử mà không phá hỏng chúng. Qua những phương pháp thí nghiệm khéo léo của họ, họ đã làm chủ việc đo và điều khiển những trạng thái lượng tử rất mong manh, cho phép lĩnh vực nghiên cứu của họ tiến những bước rất mới hướng đến chế tạo ra một loại máy vi tính mới siêu nhanh, hoạt động dựa trên vật lí lượng tử. Những phương pháp này còn đưa đến việc chế tạo những đồng hồ cực kì chính xác có thể trở thành cơ sở trong tương lai của một chuẩn thời gian mới, với độ chính xác gấp 100 bậc độ lớn so với đồng hồ caesium ngày nay.
Hình 1. Giải Nobel trao cho sự điều khiển hạt lượng tử. Những người thắng giải đã làm chủ được từng hạt bị bẫy, buộc chúng tuân theo các quy luật của cơ học lượng tử.
Với mỗi hạt ánh sáng hay hạt vật chất, các định luật vật lí cổ điển không còn áp dụng được và vật lí lượng tử chiếm ưu thế. Nhưng mỗi hạt không dễ gì tách ra khỏi môi trường xung quanh của chúng và hễ khi chúng tương tác với thế giới bên ngoài chúng sẽ mất đi những tính chất cơ lượng tử bí ẩn của chúng. Như vậy, nhiều hiện tượng có vẻ kì lạ mà cơ học lượng tử dự đoán không thể nào được quan sát trực tiếp, và các nhà nghiên cứu chỉ có thể tiến hành những “thí nghiệm tưởng tượng” trên nguyên tắc có thể biểu hiện những hiện tượng kì lạ này.
Cả hai người đoạt giải Nobel Vật lí năm nay đều làm việc trong ngành quang học lượng tử chuyên nghiên cứu sự tương tác cơ bản giữa ánh sáng và vật chất, một lĩnh vực đã chứng kiến sự tiến bộ to lớn kể từ giữa thập niên 1980. Các phương pháp của họ có nhiều điểm chung. David Wineland bẫy điện các nguyên tử tích điện, hay ion, điều khiển và đo chúng bằng ánh sáng, hay photon. Serge Haroche thì tiếp cận theo hướng ngược lại: ông điều khiển và đo các photon, hay hạt ánh sáng, bị bẫy bằng cách gửi các nguyên tử qua một cái bẫy.
Điều khiển từng ion trong bẫy
Trong phòng thí nghiệm của David Wineland ở Boulder, Colorado, các nguyên tử tích điện, hay ion, được giữ bên trong một cái bẫy bằng cách dùng điện trường bao quanh chúng. Các hạt được tách li khỏi nhiệt và bức xạ trong môi trường của chúng bằng cách thực hiện các thí nghiệm trong chân không ở những nhiệt độ cực thấp.
Một trong những bí mật ẩn sau đột phá của Wineland là sự tinh thông nghệ thuật sử dụng các chùm laser và tạo ra các xung laser. Một laser được sử dụng để khử chuyển động nhiệt của ion ở trong bẫy, đưa ion đó vào trạng thái năng lượng thấp nhất của nó và từ đó cho phép nghiên cứu các hiện tượng lượng tử với ion bị bẫy đó. Một xung laser được điều khiển cẩn thận có thể dùng để đưa ion đó vào một trạng thái chồng chất, đó là một sự tồn tại đồng thời của hai trạng thái khác nhau rạch ròi. Ví dụ, có thể làm cho ion đó chiếm giữ đồng thời hai mức năng lượng khác nhau. Nó bắt đầu trong một trạng thái năng lượng thấp nhất và xung laser chỉ thúc ion đó tiến nửa đường lên một mức năng lượng cao hơn sao cho nó ở lưng chừng giữa hai mức, trong một sự chồng chất của những trạng thái năng lượng, với xác suất có kết cục bằng nhau cho cả hai mức. Theo cách này, người ta có thể nghiên cứu sự chồng chất lượng tử của những trạng thái năng lượng của ion đó.
Hình 2. Trong phòng thí nghiệm của David Wineland ở Boulder, Colorado, các nguyên tử tích điện, hay ion, được giữ bên trong một cái bẫy bằng cách dùng điện trường bao quanh chúng. Một trong những bí mật ẩn sau đột phá của Wineland là sự tinh thông nghệ thuật sử dụng các chùm laser và tạo ra các xung laser. Một laser được sử dụng để đưa ion vào trạng thái năng lượng thấp nhất của nó và từ đó cho phép nghiên cứu các hiện tượng lượng tử với ion bị bẫy đó.
Điều khiển từng photon trong bẫy
Serge Haroche và nhóm nghiên cứu của ông sử dụng một phương pháp khác để làm sáng tỏ những bí ẩn của thế giới lượng tử. Trong phòng thí nghiệm ở Paris, các photon vi sóng phản xạ tới lui bên trong một hộp cộng hưởng nhỏ nằm giữa hai cái gương cách nhau khoảng 3 cm. Hai cái gương được làm bằng vật liệu siêu dẫn và được làm lạnh xuống đến nhiệt độ gần không độ tuyệt đối. Hai cái gương siêu dẫn này thuộc loại sáng chói nhất trên thế giới. Chúng phản chiếu đến mức một photon độc thân có thể bật tới lui bên trong hộp cộng hưởng trong gần một phần mười của một giây trước khi bị hấp thụ mất. Thời gian sống dài kỉ lục như thế này đồng nghĩa là photon đó đi được quãng đường tới 40.000 km, tương đương khoảng một vòng quanh Trái đất.
Trong thời gian sống dài hơi của nó, nhiều thao tác lượng tử có thể được thực hiện với photon bị bẫy đó. Haroche sử dụng những nguyên tử được kích thích đặc biệt, gọi là các nguyên tử Rydberg (mang tên nhà vật lí người Thụy Điển Johannes Rydberg) để vừa điều khiển vừa đo photon vi sóng trong hộp cộng hưởng. Một nguyên tử Rydberg có bán kính khoảng 125 nm, lớn gấp khoảng 1.000 lần so với những nguyên tử tiêu biểu. Những nguyên tử Rydberg hình vòng khuyên khổng lồ này được gửi từng hạt một vào trong hộp cộng hưởng ở một tốc độ được chọn lựa cẩn thận, sao cho sự tương tác với photon vi sóng xảy ra theo một kiểu được điều khiển tốt.
Nguyên tử Rydberg đó chuyển động qua lại và thoát ra khỏi hộp cộng hưởng, để lại photon vi sóng. Nhưng sự tương tác giữa photon và nguyên tử tạo ra một sự biến đổi pha của trạng thái lượng tử của nguyên tử đó: nếu bạn nghĩ trạng thái lượng tử của nguyên tử đó ở dạng sóng, thì đỉnh sóng và hõm sóng bị lệch đi. Sự lệch pha này có thể đo được khi nguyên tử thoát ra khỏi hộp cộng hưởng, nhờ đó tiết lộ sự có mặt hay vắng mặt của một photon bên trong hộp. Không có photon nào thì không có sự lệch pha. Do đó, Haroche có thể đo được một photon độc thân mà không làm hỏng nó.
Với một phương pháp tương tự, Haroche và nhóm của ông đã có thể đếm số photon bên trong hộp, giống như bọn trẻ đếm số viên bi đựng trong bát. Thủ thuật này nghe có vẻ dễ nhưng nó đòi hỏi sự khéo léo cực kì và kĩ năng tốt bởi vì các photon, không giống như những viên bi bình thường, bị hủy mất tức thời khi tiếp xúc với thế giới bên ngoài. Xây dựng trên các phương pháp đếm số photon của ông, Haroche và các cộng sự đã nghĩ ra những phương pháp theo dõi trực tiếp sự diễn tiến từng bước một của một trạng thái lượng tử.
Hình 3. Trong phòng thí nghiệm của Serge Haroche ở Paris, trong chân không và ở một nhiệt độ gần không độ tuyệt đối, các photon vi sóng phản xạ tới lui bên trong một hộp cộng hưởng nhỏ nằm giữa hai cái gương. Hai cái gương đó phản chiếu đến mức một photon sống thọ đến một phần mười của một giây trước khi bị hấp thụ. Trong quãng thời gian sống dài hơi này, nhiều thao tác lượng tử có thể được thực hiện với photon bị bẫy đó mà không làm hỏng nó.
Trần Nghiêm (thuvienvatly.com)
Theo NobelPrize.org
