Bố trí thí nghiệm dùng để phát hiện ra tốc độ tối đa của một photon độc thân. Ảnh: Shanchao Zhang
Quy luật không gì có thể chuyển động nhanh hơn tốc độ ánh sáng, c, là một trong những định luật cơ bản nhất của tự nhiên. Nhưng vì giới hạn tốc độ này chỉ mới được chứng minh thực nghiệm đối với thông tin mang bởi những nhóm lớn photon, nên các nhà vật lí hiện nay đang tranh luận liệu những photon độc thân và thông tin mang bởi chúng có thể vượt quá tốc độ ánh sáng hay không. Trong một nghiên cứu mới, các nhà vật lí đã thực hiện công việc khó khăn là tạo ra những photon độc thân có dạng sóng có thể điều khiển được, và họ chứng minh rằng các photon độc thân cũng tuân theo định luật giới hạn tốc độ c.
Các nhà vật lí, đứng đầu là giáo sư Shengwang Du ở trường Đại học Khoa học và Công nghệ Hong Kong, vừa công bố nghiên cứu của họ về tốc độ tối hậu của một photon độc thân trong số ra mới đây của tạp chí Physical Review Letters. Các kết quả có hàm ý đối với tốc độ tối đa của sự truyền thông tin bởi sự xác nhận rằng các photon độc thân tuân theo tính nhân quả; nghĩa là một hệ quả không thể xảy ra trước nguyên nhân của nó.
“Tầm quan trọng lớn nhất của nghiên cứu của chúng tôi là các kết quả thực nghiệm của chúng tôi mang sự kết thúc đến cho cuộc tranh luận về tốc độ thật sự của thông tin mang bởi một photon độc thân”, Du nói. “Nó làm sâu sắc thêm kiến thức của chúng ta về lưỡng tính sóng hạt của photon và bản chất của cơ học lượng tử. Nó mang đến cho mọi người một bức tranh rõ ràng về các photon (kể từ khi tên gọi đó được Einstein nghĩ ra cách nay hơn 100 năm trước) và sửa lại những bức tranh ‘sai lầm’ và khó hiểu trước đây”.
Với sự tiến bộ công nghệ trong vài ba năm trở lại đây, nhiều nhóm nhà khoa học đã và đang nghiên cứu xem chính xác thì ánh sáng có thể chuyển động nhanh bao nhiêu. Mặc dù những nghiên cứu trước đây tìm thấy “vận tốc nhóm” của ánh sáng có thể truyền đi nhanh hơn c, nhưng “vận tốc tín hiệu” – tốc độ lan truyền thông tin – thì không thể. Trong ánh sáng của kết quả mới này, các nhà khoa học tự hỏi liệu những photon độc thân chuyển động ở vận tốc nhóm hay vận tốc tín hiệu.
Để trả lời câu hỏi này, minh chứng của Du và các đồng tác giả không chỉ đòi hỏi tạo ra những photon độc thân, mà còn phải tách tiền thân quang học, sự truyền kiểu sóng tại phía trước một xung quang học, khỏi phần còn lại của photon. Những thí nghiệm trước đây dựa trên sự truyền sóng điện từ vĩ mô (bao gồm rất nhiều photon) cho thấy tiền thân quang học là phần nhanh nhất trong sự truyền của một xung quang học. Nhưng nghiên cứu này là nghiên cứu đầu tiên chứng minh thực nghiệm rằng các tiền thân quang học đó tồn tại ở cấp độ photon độc thân, và chúng là phần nhanh nhất của photon gói sóng photon độc thân.
Để tách tiền thân quang học ra khỏi phần còn lại của photon, các nhà khoa học đã tạo ra một cặp photon, và sau đó cho một trong hai photon đi qua một nhóm nguyên tử rubidium lạnh, đồng thời sử dụng một bộ điều biến điện quang để nắn dạng sóng của photon. Các nguyên tử đó có một hiệu ứng gọi là sự trong suốt cảm ứng điện từ (EIT), cho phép các nhà khoa học tách các tiền thân photon độc thân ra khỏi gói sóng chính. Khi tiền thân quang học và và gói sóng chính đi qua một nhóm nguyên tử rubidium thứ hai, các nhà khoa học tiến hành đo tốc độ của hai thành phần photon đó.
Các nhà khoa học tìm thấy rằng đầu sóng tiền thân của một photon độc thân luôn truyền đi ở tốc độ c, giống như vận tốc tín hiệu của những nhóm lớn photon. Gói sóng chính của một photon độc thân không chuyển động nhanh hơn c trong mọi môi trường, và có thể bị trễ tới 500 ns trong một môi trường ánh sáng chậm trong đó vận tốc nhóm nhỏ hơn c.
“Trong trường hợp ánh sáng chậm (với vận tốc nhóm nhỏ hơn c), phần chính giữa của gói sóng chính tuân theo vận tốc nhóm”, Du giải thích. “Khi mật độ môi trường tăng lên (với nhiều nguyên tử hơn), vận tốc nhóm chậm giảm đi. Trong trường hợp ánh sáng nhanh hoặc siêu sáng (với vận tốc nhóm lớn hơn c hoặc vận tốc nhóm âm), gói sóng chính có vẻ ‘khó hiểu’ và không tuân theo vận tốc nhóm... Chúng tôi chắc chắn rằng gói sóng chính không thể truyền đi nhanh hơn tiền thân quang, đối tượng chuyển động ở tốc độ c”.
Những kết quả này phù hợp với những nghiên cứu trước đây phân tích những photon độc thân có tiền thân và dạng sóng chính không bị phân tách, theo báo cáo thì chúng đã có cấu trúc dao động. Sự giao thoa giữa tiền thân và dạng sóng chính hơi trễ pha một chút có thể giải thích cấu trúc này.
Ngoài việc mang lại một số kết luận cho cuộc tranh luận về tốc độ thật sự của thông tin mang bởi một photon độc thân, kết quả rằng các photon độc thân không thể truyền nhanh hơn tốc độ ánh sáng cũng sẽ có khả năng có những ứng dụng thực tiễn, vì nó mang lại cho các nhà khoa học sự hiểu biết tốt hơn về sự truyền thông tin lượng tử.
Nguồn: PhysOrg.com
