Những xung ánh sáng gồm khoảng 100.000 photon vướng víu đã được tạo ra bởi các nhà vật lí ở Đức và Nga. Những xung ánh sáng đó được tạo ra trong một trạng thái “chân không nén” và đội nghiên cứu tìm thấy sự vướng víu trở nên mạnh hơn khi số lượng photon có trong xung tăng lên. Những xung sáng như vậy có thể ứng dụng trong những công nghệ như mật mã học lượng tử hoặc đo lường học.
Sự vướng víu là một hiệu ứng lượng tử cho phép các hạt như photon có mối liên hệ chặt chẽ hơn so với vật lí cổ điển tiên đoán. Chẳng hạn, người ta có thể tạo ra hai photon trên thực nghiệm, sao cho nếu một hạt được đo là bị phân cực theo phương thẳng đứng, thì phép đo trên hạt kia sẽ cho trạng thái phân cực giống như vậy. Hiệu ứng này xảy ra bất chấp thực tế là một phép đo trên một photon độc thân sẽ cho biết một giá trị ngẫu nhiên của sự phân cực. Trong khi một mối tương quan như thế có thể xảy ra trong thế giới phi lượng tử, nhưng cơ học lượng tử củng cố nó vượt ngoài cái được trông đợi từ vật lí cổ điển. Sự không tương thích này giữa thế giới lượng tử và thế giới cổ điển đã được mô tả súc tích bởi nhà vật lí người Bắc Ireland John Bell vào năm 1964 và đã được xác nhận bởi một loạt thí nghiệm thực hiện hồi thập niên 1970 và 1980.
Nay Maria Chekhova và các đồng sự tại Viện Khoa học Ánh sáng Max Planck và Đại học Moscow vừa tạo ra những trạng thái lượng tử chứa tới 100.000 photon, và tất cả chúng đều bị vướng víu với nhau.
Xung càng sáng, sự vướng víu càng mạnh. (Ảnh: iStockphoto/Mihail Ulianikov)
Những tinh thể phi tuyến
Thí nghiệm của đội khoa học bắt đầu với việc chiếu một xung laser vào một bộ tách chùm tia phân cực, tạo ra hai xung với sự phân cực khác nhau. Hai xung này được chiếu vào hai tinh thể phi tuyến và “bơm” hai tinh thể đó. Nhờ bản chất phi tuyến của hai tinh thể, một photon trong một xung bơm có thể phân hủy thành một cặp photon vướng víu có sự phân cực giống nhau – nhưng có năng lượng khác nhau (A và B). Một photon thuộc vùng hồng ngoại và photon kia thuộc vùng nhìn thấy của phổ điện từ.
Sự phân hủy ban đầu trong tinh thể sẽ xảy ra tự phát và khi cặp photon thứ nhất truyền qua tinh thể nó sẽ kích thích sự phát xạ của những cặp photon kia. Hiệu ứng thác lở sẽ tạo ra một xung photon và toàn bộ bị vướng víu trong cái gọi là một trạng thái “chân không nén”. Xung sáng bị nén bởi vì số lượng photon có trong xung A và B có tương quan chính xác hơn ở những xung laser tiêu biểu có năng lượng bằng nhau. Phần chân không của tên gọi có xuất xứ từ thực tế là xung sáng bắt đầu tự phát với không có photon nào – trạng thái chân không.
Những xung photon vướng víu từ mỗi tinh thể sau đó được kết hợp lại trong một bộ tách chùm tia phân cực thứ hai để tạo ra một xung đơn không phân cực. Xung này được xử lí bằng một “bản lưỡng sắc”, làm hướng phân cực của các photon thuộc một năng lượng nào đó – ví dụ A – quay 90 độ so với hướng phân cực của những photon có năng lượng B. Kết quả là một xung vướng víu là một “trạng thái Bell đơn vĩ mô” – nếu hướng phân cực của photon A đo được là thẳng đứng, thì hướng phân cực của photon B sẽ là nằm ngang và ngược lại. Tính chất này của sự tương quan phân cực đúng cho bất kì sự chọn lựa trạng thái phân cực nào: nếu photon A bị phân cực tròn phải, chẳng hạn, thì photon B bị phân cực tròn trái, vân vân.
Đo sự vướng víu
Thách thức tiếp theo đối với đội nghiên cứu là làm thế nào chứng minh rằng các photon đó thật sự bị vướng víu. Yêu cầu này được thực hiện bằng cách cho xung sáng đi qua một tách chùm tia phân cực cuối cùng, gửi những photon có hướng phân cực ngang về phía một máy dò và những photon có hướng phân cực thẳng đứng về một máy dò thứ hai.
Tổng số photon trong mỗi xung được đếm bởi máy dò và mức độ vướng víu của một xung có thể được xác định bằng cách khảo sát sự tương quan giữa các tín hiệu ở hai máy dò. Đội bằng cách đã không thể kiểm tra sự vướng víu trên bằng cách sử dụng bất đẳng thức Bell bởi vì bất đẳng thức Bell thông thường chỉ có giá trị đối với những cặp photon và không có khả năng áp dụng trong trường hợp này. Sự sai lệch khởi một bất đẳng thức Bell vĩ mô vẫn còn là một thách thức. Tuy nhiên, đội nghiên cứu đã có thể xác lập sự vướng víu bằng cách sử dụng “điều kiện khả năng phân chia” áp dụng cho những hệ như thế. Phân tích cho thấy các xung sáng có mức độ tương qua lớn hơn cái được phép bởi vật lí cổ điển và do đó là bị vướng víu.
Càng nhiều photon, càng vướng víu
Các nhà nghiên cứu còn tính được một thông số của xung sáng gọi là “số Schmidt”, đó là một số đo mức độ vướng víu bên trong xung. Họ tìm thấy rằng số Schmidt tỉ lệ với số photon trung bình có trong xung. Theo đội nghiên cứu, điều này có nghĩa là xung càng sáng thì bị vướng víu nhiều hơn so với những xung yếu.
Xiao-Qi Zhou thuộc trường Đại học Bristol ở Anh đã mô tả thí nghiệm trên là “một phương pháp rất khéo léo nhằm phát hiện ra sự vướng víu ở trạng thái quang lượng tử lớn như thế”. Ông nói, “Người ta biết rằng một trạng thái [chân không nén] lớn là bị vướng víu nhưng không biết làm thế nào chứng minh nó bằng thực nghiệm.”
Zhou tin rằng ứng dụng triển vọng nhất nhất của xung sáng vướng víu trên là trong “đo lường lượng tử thực hành”. Ví dụ như kính hiển vi pha và con quay hồi chuyển quang học.
Chekhova cho biết những xung sáng trên còn có thể sử dụng cho sự phân bố khóa lượng tử, lõ thuật sử dụng sự vướng víu để cho phép hai phe trao đổi thông tin lượng tử với nhau một cách bí mật. “Thông tin lượng tử có thể được mã hóa thành số photon, và khi đó các chùm A và B sẽ được phân bố đến hai người dùng,” bà nói. “Giao thức này sẽ giống với giao thức Ekert đã biết, dựa trên những cặp photon, nhưng ở đây bảng chữ cái sẽ nhiều kí tự hơn.”
Tham khảo: http://prl.aps.org/abstract/PRL/v109/i15/e150502
123physics (thuvienvatly.com)
Nguồn: physicsworld.com
