Thông thường, với hai hạt trở nên bị vướng víu, trước tiên chúng phải tương tác vật lí với nhau. Rồi khi hai hạt đó cách xa nhau về mặt vật lí và vẫn chia sẻ cùng một trạng thái lượng tử, chúng được xem là bị vướng víu. Nhưng trong một nghiên cứu mới, các nhà vật lí đã khảo sát một bước ngoặt mới ở sự vướng víu trong đó hai qubit trở nên vướng víu với nhau mặc dù chúng không hề tương tác vật lí với nhau.
Các nhà vật lí Carlos Sabín, Borja Peropadre, Marco del Rey, và Eduardo Martín-Martínez tại Viện Vật lí Cơ bản thuộc Trung tâm Nghiên cứu Quốc gia Tây Ban Nha (CSIC) vừa công bố một bài báo về loại vướng víu mới này trên tạp chí Physical Review Letters.
“Chúng tôi chứng minh rằng trong một thí nghiệm thực tế, có thể làm vướng víu hai hệ không tương tác với nhau và cũng không tương tác đồng thời với một nguồn tài nguyên chung, và không yêu cầu đo,” Sabin nói. “Thủ thuật là sử dụng sự tương quan giữa những thời điểm khác nhau – giữa quá khứ và tương lai – chứa trong chân không của một trường lượng tử.”
(a) Diễn tiến thời gian cho thí nghiệm đề xuất cho sự trích xuất vướng víu quá khứ-tương lai. Trong khoảng thời gian thứ nhất, qubit P tương tác với trường chân không. Sau một khoảng thời gian nhất định không có tương tác, qubit F tương tác với trường, thu được sự vướng víu với qubit P. (b) Để kích hoạt và ngừng kích hoạt sự kết hợp qubit-trường, từ thông được cho biến thiên. Ảnh: Sabín, et al. ©2012 American Physical Society
Theo thuyết lượng tử, trường lượng tử là hệ chứa mọi hạt quá nhỏ để mô tả theo phương diện cổ điển. Mặc dù không có hạt nào tồn tại trong vùng chân không của một trường lượng tử, nhưng các nhà vật lí đã biết từ thập niên 1970 rằng chân không này có chứa những tương quan lượng tử, hay sự vướng víu lượng tử.
“Chân không đại thể là không có gì, nhưng cục bộ nó na ná như một đám mây gồm những chùm hạt sinh diệt quá nhanh nên không phát hiện được,” Sabin nói. “Theo lí thuyết trường lượng tử, đây được gọi là các thăng giáng lượng tử. Các thăng giáng lượng tử này là tương quan nếu chúng ta xét những vùng khác nhau của không gian, cũng như những vùng khác nhau của thời gian.”
Nếu sự vướng víu chân không này có thể được trích xuất ra khỏi chân không và truyền sang những hạt thực, thì nó không còn là một tính chất lượng tử kì lạ và có tiềm năng dùng làm một tài nguyên hữu ích cho các ứng dụng thông tin lượng tử. Nhưng việc hiện thực hóa bằng thực nghiệm sự trích xuất sự vướng víu chân không là rất khó khăn.
Trong nghiên cứu hiện nay, các nhà nghiên cứu đề xuất một thí nghiệm dựa trên điện động lực học lượng tử mạch điện (QED) hoàn toàn nằm trong tầm với của công nghệ hiện nay. Họ mô tả một bố trí gồm một cặp qubit siêu dẫn, P và F, với qubit P nối với một chân không trường lượng tử bằng một đường truyền. Trong khoảng thời gian thứ nhất, cái các nhà khoa học gọi là quá khứ, P tương tác với trường đó. Sau đó P nhanh chóng mất kết hợp với trường trong khoảng thời gian thứ hai. Cuối cùng, F được kết hợp với trường trong một khoảng thời gian gọi là tương lai. Mặc dù P và F không hề tương tác với trường đồng thời hoặc với nhau, nhưng những tương tác của F với trường làm cho nó bị vướng víu với P. Các nhà vật lí gọi sự tương quan này là “sự vướng víu quá khứ-tương lai”.
Để đảm bảo sự vướng víu đó không có nguồn gốc bởi những phương tiện cổ điển, các nhà vật lí có thể sắp xếp bố trí thí nghiệm sao cho sự trao đổi photon giữa các qubit là bị cấm. Trong trường hợp này, mức độ vướng víu phụ thuộc vào khoảng cách không gian giữa các qubit. Hơn nữa, các nhà khoa học chứng minh rằng, ngay cả khi cho phép một xác suất nhất định của sự trao đổi photon, các tương quan duy nhất giữa các qubit là có tính lượng tử, chứ không phải cổ điển.
(a) Biểu đồ những vùng không thời gian khác nhau và (b) biểu đồ thể hiện sự vướng víu đáng kể sinh ra ở cả hai phía của những đường phân chia giữa các vùng. Ảnh: Sabín, et al. ©2012 American Physical Society
“Qubit F tương tác với các thăng giáng lượng tử chân không tương quan với các thăng giáng lượng tử chân không mà qubit P tương tác trong quá khứ,” Sabin nói. “Nó giống như là các qubit đang trao đổi những photon ‘ảo’ – trái với thật, nhưng những hạt không thể phát hiện ra này đang truyền đi nhanh hơn ánh sáng thường dùng trong lí thuyết trường lượng tử để soi rọi các phép tính.”
Việc điều khiển loại vướng víu mới lạ này có thể đưa đến những ứng dụng thú vị, có lẽ hấp dẫn nhất trong số đó là bộ nhớ lượng tử. Hai qubit chia sẻ sự vướng víu quá khứ-tương lai có thể dùng để tạo ra một dụng cụ viễn tải một trạng thái lượng tử trong thời gian. Nói cách khác, trạng thái của qubit P có thể được truyền đến tương lai ở dạng qubit F mà không cần truyền đi trong khoảng thời gian khi không có qubit nào kết hợp với trường. Mặc dù sự viễn tải lượng tử đã được hiện thực hóa bằng thực nghiệm, nhưng kế hoạch này mang lại một giải pháp khác với tiềm năng có độ tin cậy cao.
Trong tương lai, các nhà vật lí hi vọng rằng các nhà thực nghiệm trong lĩnh vực mạch điện siêu dẫn sẽ tiến hành thí nghiệm trên để xác nhận sự tồn tại của sự vướng víu quá khứ-tương lai.
“Chúng tôi cảm thấy những bố trí qubit siêu dẫn và đường truyền như thế này là rất tiện lợi cho các thí nghiệm liên quan đến những câu hỏi cơ bản trong cơ học lượng tử và lí thuyết trường lượng tử,” Sabin nói.
Tham khảo: Carlos Sabín, et al. “Extracting Past-Future Vacuum Correlations Using Circuit QED.” PRL 109, 033602 (2012). DOI: 10.1103/PhysRevLett.109.033602; arxiv.org/abs/1202.1230
123physics (thuvienvatly.com)
Nguồn: PhysOrg.com
