Đồ thị 3D này thể hiện nơi một hạt lượng tử có khả năng được tìm thấy cao nhất khi nó đi qua thiết bị hai khe và biểu hiện hành trạng kiểu sóng. Những đường vẽ chồng lên trên mặt 3D là những quỹ đạo trung bình thực nghiệm được xây dựng lại mà các hạt đã đi qua thí nghiệm. (Ảnh: Krister Shalm và Boris Braverman)
Lần đầu tiên, một đội gồm các nhà nghiên cứu quốc tế vừa lập được bản đồ quỹ đạo hoàn chỉnh của những photon độc thân trong thí nghiệm hai khe Young nổi tiếng. Kết quả trên là bước tiến quan trọng đầu tiên hướng đến việc đo các thông số bổ sung nhau của một hệ lượng tử - cái hiện nay được xem là không thể, theo hệ quả của nguyên lí bất định Heisenberg.
Trong thí nghiệm hai khe, một chùm ánh sáng chiếu lên một màn ảnh qua hai khe hẹp, mang lại một hệ vân giao thoa trên màn ảnh. Nghịch lí là người ta không thể cho biết các photon độc thân đã đi qua khe nào, vì việc đo thông số này sẽ làm nhiễu hệ vân giao thoa trên màn ảnh ngay. “Trong đa số các ngành khoa học, người ta có thể nhìn vào một hệ hiện đang làm gì và từ đó xác định quá khứ hoặc tương lai của nó. Nhưng trong cơ học lượng tử, việc xem xét quá khứ rốt cuộc là cái không thể nào hiểu nổi”, phát biểu của nhà vật lí Aephraim Steinberg thuộc Trung tâm Thông tin Lượng tử và Điều khiển Lượng tử tại trường Đại học Toronto, Canada, người đã lãnh đạo nghiên cứu mới này.
Nay sử dụng một kĩ thuật gọi là “đo yếu”, Steinberg và đội của ông cho biết họ đã làm chủ được việc đo chính xác cả vị trí lẫn xung lượng của những photon độc thân trong thí nghiệm giao thoa hai khe. Công trình này có cảm hứng từ một trong những người đồng nghiệp của Steinberg, Howard Wiseman ở trường Đại học Griffith, Australia, người hồi năm 2007 đã đề xuất rằng người ta có thể sử dụng những phép đo yếu để xác định xung lượng và vị trí trong thí nghiệm hai khe. Steinberg đã lập tức bị mê hoặc và bắt đầu khảo sát xem đề xuất này có giá trị thực nghiệm như thế nào.
Thoáng nhận thấy cái mới mẻ
Lí thuyết “đo yếu” được đề xuất lần đầu tiên hồi năm 1998 và được phát triển bởi nhà vật lí Yakir Aharonov cùng nhóm của ông tại trường Đại học Tel Aviv, Israel, đã thu hút ít nhiều hứng thú trong những năm gần đây. Lí thuyết trên phát biểu rằng người ta có thể đo “yếu” một hệ và từ đó thu được một số thông tin về một tính chất mà không gây nhiễu đáng kể đối với tính chất bổ sung và do đó không gây nhiễu đối với sự phát triển tương lai của toàn bộ hệ. Mặc dù thông tin thu được đối với mỗi phép đo là tối thiểu, nhưng nếu lấy trung bình nhiều phép đo sẽ mang lại một ước tính chính xác của số đo của tính chất đó mà không gây nhiễu đối với kết cục của nó.
Trong thí nghiệm của họ, các nhà nghiên cứu gửi một tập hợp photon độc thân qua một giao thoa kế hai khe và tiến hành một phép đo yếu để đo không chính xác xung lượng của từng photon. Thao tác này được thực hiện qua việc sử dụng một miếng thạch anh calcite đóng vai trò như một kính phân cực. Tùy thuộc vào hướng truyền, từng photon bị phân cực khác nhau và hướng truyền được đo là một hàm của vị trí. Sau đó, các nhà nghiên cứu tiến hành một phép đo cực kì chính xác vị trí cuối cùng của nơi mỗi photon chạm tới “màn ảnh”, trong trường hợp của họ thì đó là một camera. Bằng cách kết hợp những vị trí đo được không chính xác ở nhiều điểm và xung lượng được đo chính xác tại đích của mỗi photon, họ có thể xây dựng chính xác toàn bộ hệ dòng chảy cho các photon.
“Phép đo xung lượng yếu như thế này không gây nhiễu đáng kể đối với hệ, và người ta vẫn quan sát thấy sự giao thoa. Cả hai phép đo phải được lặp lại trên một tập hợp lớn hạt để thu đủ thông tin cho toàn hệ, nhưng chúng ta không làm nhiễu kết cục sau cùng”, Steinberg giải thích. “Những quỹ đạo chúng tôi đo được, như Wiseman từng dự đoán, phù hợp với cách hiểu tương đối tính nhưng trái với thông lệ của cơ học lượng tử của những nhà tư tưởng lỗi lạc như David Bohm và Louis de Broglie”.
Các photon độc thân họ sử dụng trong thí nghiệm trên được phát ra bởi một chấm lượng tử InGaAs làm lạnh bằng helium lỏng được bơm quang học bởi một laser được phát triển đặc biệt tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ quốc gia ở Colorado, Mĩ. Khi đó, chấm lượng tử phát những photon độc thân ở bước sóng 943 nm.
Quá khứ, hiện tại và tương lai
Thí nghiệm hai khe có tác động lớn đối với nguyên lí bổ sung do Niels Bohr nghĩ ra. Nguyên lí bổ sung phát biểu rằng việc quan sát những thông số bổ sung nhau, như quỹ đạo dạng hạt và hệ vân kiểu sóng trong thí nghiệm hai khe, phụ thuộc vào loại phép đo thực hiện – hệ không thể hành xử vừa là hạt vừa là sóng đồng thời. Thí nghiệm mới đây của Steinberg cho thấy đây không phải là trường hợp đó – hệ có thể hành xử như cả hai.
Vậy thì Einstein hay Bohr sẽ hài lòng hoặc bất ngờ trước việc phép đo dường như thể này được thực hiện? “Vâng, tôi không nghĩ Einstein sẽ bị bất ngờ! Nhưng đồng thời tôi không nghĩ điều này sẽ khiến ông dễ chịu hơn với cơ học lượng tử của những hệ độc thân”, Steinberg nói, ông giải thích rằng Einstein từng hăm hở muốn đo chính xác mọi thông số của một hệ lượng tử độc thân, cái công việc cho đến nay chúng ta vẫn chưa làm nổi. “Bohr thì nghĩ khác... Tôi nghi ngờ rằng những người đương thời của ông thậm chí không hiểu chính xác cái ông đang cố gắng trình bày”, Steinberg nói. “Nhưng có lẽ phép đo này sẽ khiến ông [Bohr] thận trọng hơn một chút với ngôn từ của mình khi nói về nguyên lí bổ sung”.
Nghiên cứu công bố trên tạp chí Science.
Nguồn: physicsworld.com
