Tác dụng ma quỷ với những chùm ánh sáng xoắn

Các nhà vật lí ở Áo vừa nghĩ ra một kĩ thuật mới làm vướng víu các photon bằng cách sử dụng tính chất của “moment động lượng quỹ đạo”. Các nhà nghiên cứu cho biết lượng lớn moment quỹ đạo mà họ truyền cho các photon đặt nền tảng cho sự vướng víu của những vật vĩ mô và còn có thể ứng dụng trong sự cảm biến từ xa và điện toán lượng tử.

Sự vướng víu là sự kết nối giữa hai (hoặc nhiều) hạt không tồn tại trong vật lí cổ điển. Nó có nghĩa là việc xác định trạng thái lượng tử một hạt tự động và tự phát cho biết trạng thái lượng tử của hạt kia, cho dù những hạt đó ở cách xa bao nhiêu chăng nữa – một hiện tượng mà Einstein từng gọi là “tác dụng ma quỷ từ xa”. Thường người ta đạt tới sự vướng víu này bằng cách sử dụng sự phân cực của các photon – tức hướng dao động của điện trường của một sóng ánh sáng – sao cho các cặp photon vướng víu bị ràng buộc dao động vuông góc với nhau mặc dù mỗi photon bị phân cực ngẫu nhiên.

Ảnh màu giả của một chùm laser biểu hiện một sự chồng chất của 10 lượng tử momen động lượng quỹ đạo quay trái và 10 lượng tử momen động lượng quỹ đạo quay phải, tạo ra 10 + 10 = 20 đốm sáng trên cái vòng bên trong. Các photon trong những mode như vậy vừa quay theo chiều kim đồng hồ vừa quay ngược chiều kim đồng hồ. (Ảnh: Robert Fickler, ĐH Vienna)

Những cặp hạt vướng víu

Trong nghiên cứu mới, Anton Zeilinger, Robert Fickler và các đồng sự tại trường Đại học Vienna đã làm vướng víu các photon trong moment động lượng quỹ đạo (OAM). Cấp OAM cho các photon có nghĩa là làm xoắn mặt đầu sóng của một chùm tia sao cho khi chùm tia truyền về phía trước, mặt đầu sóng của nó quay xung quanh trục truyền. Tính chất này đã được nghiên cứu kĩ lưỡng với các chùm laser và đã được khai thác trong cái gọi là cờ lê quang học, cái sử dụng laser để bẫy và làm quay những vật nhỏ. Nhưng nhóm của Zeilinger lại đặc biệt quan tâm đến việc làm vướng víu những photon bị xoắn; nói cách khác là tạo ra những cặp photon có hướng xoắn ngược nhau. Tính xoắn đó được biểu diễn bởi số lượng tử l – số lần mặt đầu sóng quay xung quanh trục truyền trong không gian một bước sóng. “Mục tiêu của thí nghiệm của chúng tôi là xem chúng tôi có thể thu được con số này cao đến bao nhiêu,” phát biểu của thành viên đội nghiên cứu Radek Lapkiewicz.

Những nhóm nghiên cứu khác trước đây đã làm vướng víu những photon có OAM bằng cách chiếu những chùm laser vào các tinh thể “phi tuyến” và sau đó rút một phần rất nhỏ số lượng photon tự phát phân tách bên trong tinh thể để tạo ra hai photon vướng víu có năng lượng thấp hơn. Những photon bị vướng víu đó mang một phổ rộng OAM. Nhưng theo Lapkiewicz, phương pháp này “bị hạn chế bởi cái tự nhiên mang lại”, chỉ cho giá trị l lên tới 20.

Xoắn vòng tròn

Nhóm nghiên cứu người Áo còn sử dụng một tinh thể phi tuyến để tạo ra các photon. Tuy nhiên, trong trường hợp này, các photon bị vướng víu trong sự phân cực và sự vướng víu này chỉ có vai trò là bước khởi đầu. Bước tiếp theo là gửi các photon bên trong mỗi cặp vào những sợi cáp quang độc lập và sau đó truyền cho chúng OAM. Các nhà nghiên cứu làm như vậy bằng cách cho các photon phản xạ trên một màn hình nhỏ xíu gọi là bộ điều biến ánh sáng không gian, đó là một dụng cụ làm biến đổi pha của ánh sáng phản xạ từ điểm này sang điểm khác, do đó làm thay đổi hình dạng mặt đầu sóng của chùm tia. Sự biến dạng mặt đầu sóng này phụ thuộc vào hướng phân cực của các photon, sao cho các photon bị phân cực theo chiều này nhận một cú hích OAM dương còn những photon phân cực theo chiều vuông góc nhận một cú hích âm. Kết quả chung là làm thay đổi sự vướng víu của các photon từ một hướng phân cực sang một chiều OAM.

Sử dụng kĩ thuật này, Zeilinger và các cộng sự nhận thấy rằng họ có thể thu được sự chênh lệch số lượng tử l cao đến 600 (nói cách khác, l = +300 ở một photon và l = - 300 ở photon kia). Lapkiewicz cho biết, trên lí thuyết, không có giới hạn trên cho giá trị l của một photon, nên một photon – một hạt lượng tử - có thể có OAM lớn như một vật vĩ mô, dẫn tới cái ông gọi là một “sự căng thẳng giữa thế giới lượng tử và thế giới cổ điển”. Nhưng ông cảnh báo rằng kết quả hiện nay vẫn quá nhỏ để làm quay những vật thể cho dù là thật nhỏ. Ông cho rằng những thao tác như vậy có thể làm được vào một ngày nào đó bằng cách kết hợp động lượng của nhiều photon bị vướng víu chung với nhau.

Cảm biến từ xa và thông tin lượng tử

Nhóm của Zeilinger còn cho biết kĩ thuật của họ có thể hữu ích cho sự thực hiện cảm biến từ xa, nhất là trong các thí nghiệm ghi ảnh sinh học ánh sáng yếu. Theo Zeilinger, công trình này còn có thể áp dụng cho lĩnh vực thông tin lượng tử. Ví dụ, theo ông, nó có thể cho phép các bộ xử lí lượng tử hoạt động dựa trên sự vướng víu phân cực nối với những photon đó thay vì khai thác OAM.

Tham khảo: http://www.sciencemag.org/lookup/doi/10.1126/science.1227193

123physics (thuvienvatly.com)
Nguồn: physicsworld.com

Bài trước | Bài kế tiếp