Thực nghiệm xác nhận photon có quyền 'chần chừ lượng tử'

Các thực thể lượng tử luôn hết sức quỷ quyệt. Xét như photon chẳng hạn. Lượng tử ánh sáng có thể tác dụng như một hạt vào lúc này, đi theo một quỹ đạo rõ ràng giống như một viên đạn nhỏ xíu, và tác dụng như một sóng vào lúc sau đó, chồng chất với chính nó để tạo ra hệ vân giao thoa, giống hệt như một gợn sóng trên mặt nước.

Lưỡng tính sóng-hạt là một đặc điểm quan trọng của cơ học lượng tử, người ta không dễ gì hiểu nổi theo những khái niệm trực giác của kinh nghiệm sống hàng ngày. Nhưng bản chất nước đôi của các thực thể lượng tử chưa dừng lại ở đó mà còn lạ lùng hơn nữa. Những thí nghiệm mới chứng minh rằng các photon không những chuyển từ dạng sóng sang dạng hạt và ngược lại mà thật sự còn có thể hành xử theo xu hướng sóng và hạt cùng một lúc. Thật vậy, một photon có thể đi qua một thiết bị quang phức tạp và biến mất vĩnh viễn trong một máy dò mà không chọn lựa một hiện thân nào hết – cho dù là sóng hay là hạt.

Trong những năm gần đây, các nhà vật lí đã chứng minh được rằng một photon “lựa chọn” tác dụng như một sóng hoặc một hạt chỉ khi bị ép buộc. Chẳng hạn, nếu một photon bị lái bởi một bộ chiết quang (một loại ngã ba trong quang trình) vào một trong hai lộ trình, mỗi lộ trình dẫn tới một máy dò, thì photon đó sẽ xuất hiện tại máy dò này hoặc máy dò kia với xác suất bằng nhau. Nói cách khác là photon đã chọn một trong hai lộ trình và đi theo nó cho đến kết thúc, giống như một quả cầu lăn trong một cái ống dẫn. Nhưng nếu hai lộ trình đã phân tách đó kết hợp lại phía trước máy dò, cho phép cái có trong hai kênh dẫn giao thoa giống như sóng chảy vòng quanh một trụ cầu gặp nhau ở phía bên kia, thì photon đó biểu hiện những hiệu ứng gioa thoa dạng sóng, về cơ bản đã truyền đi theo hai lộ trình đồng thời. Nói cách khác, đo một photon như một hạt thì nó hành xử như một hạt. Đo một photon như một sóng thì nó hành xử như một sóng.

Những thí nghiệm mới khảo sát sự chuyển tiếp liên tục từ những photon tác dụng giống như hạt sang hành xử giống như sóng. Ảnh: S. Tanzilli, CNRS

Người ta có thể cho rằng các photon đã chọn một trong hai hành trạng – sóng hoặc hạt – từ trước, hoặc khi chúng đi tới bộ chiết quang. Nhưng một thí nghiệm “lựa chọn trễ” hồi năm 2007 đã bác bỏ khả năng đó. Các nhà vật lí sử dụng một giao thoa kế, một dụng cụ thí nghiệm có bộ chiết quang, bố trí kết hợp hai chùm tia và để chúng tách nhau ra. Nhưng chúng thực hiện lựa chọn chỉ sau khi photon đã đi qua bộ chiết quang. Các photon vẫn biểu hiện các hiệu ứng giao thoa khi kết hợp lại, mặc dù (ít nhất là trong một thế giới đơn giản hơn) các hạt đó vẫn bị buộc phải lựa chọn đi theo lộ trình nào.

Nay hai nhóm nghiên cứu vừa triển khai một phiên bản còn lạ lùng hơn nữa của thí nghiệm lựa chọn trễ. Trong hai nghiên cứu đăng trên số ra ngày 2 tháng 11 của tạp chí Science, một đội ở Pháp và một nhóm ở Anh mỗi bên đều báo cáo sử dụng một công tắc lượng tử thay cho bộ chiết quang. Ngoại trừ là trong thí nghiệm này, công tắc không bị đảo – do đó buộc photon tác dụng như một sóng hoặc như một hạt – cho đến khi các nhà vật lí nhận ra photon đó ở một trong hai máy dò.

Bằng cách thay đổi bố trí trên dụng cụ, cả hai đội không những có thể buộc photon thực nghiệm hành xử như một hạt hoặc như một sóng, mà còn có thể khảo sát những trạng thái trung gian nữa. “Chúng tôi có thể liên tục làm biến hình hành trạng của photon thử từ hành trạng dạng sóng sang dạng hạt,” phát biểu của Sébastien Tanzilli, một đồng tác giả và là nhà vật lí quang lượng tử tại Trung tâm Quốc gia Nghiên cứu Khoa học ở Paris, ông làm việc tại trường đại học Nice Sophia Antipolis. “Giữa hai thái cực đó, chúng tôi có những trạng thái đi cùng với sự giao thoa suy yếu. Cho nên chúng tôi có một sự chồng chất của sóng và hạt.”

Cái then chốt với cả hai thí nghiệm là sử dụng một công tắc lượng tử trong thiết bị, cho phép giao thoa kế lơ lửng trong sự chồng chất của việc đo hành trạng sóng hoặc hạt. “Trong những thí nghiệm lựa chọn trễ truyền thống như thế này, đâu đó trong thiết bị của bạn, bạn có một công tắc nhị phân cổ điển lớn,” phát biểu Peter Shadbolt, một đồng tác giả và là nghiên cứu sinh vật lí lượng tử tại trường đại học Bristol ở Anh. “Nó [công tắc lượng tử] có ‘sóng’ viết ở phía bên này và ‘hạt’ viết ở phía bên kia. Cái chúng tôi làm là thay thế công tắc cổ điển bằng một qubit, một bit lượng tử, đó là một photon thứ hai trong thí nghiệm của chúng tôi.”

Công tắc lượng tử đó xác định bản chất của thiết bị - cho dù hai quang trình kết hợp lại để tạo ra một giao thoa kế khép kín, cái đo các tính chất dạng sóng, hay vẫn tách biệt để tạo ra một giao thoa kế hở, cái phát hiện những hạt rời rạc. Nhưng trong cả hai trường hợp, giao thoa kế là mở hay đóng – và cho dù photon tương ứng đi qua thiết bị giống như sóng hay hạt – không được xác định cho đến khi các nhà vật lí đo một photon thứ hai. Số phận của photon thứ nhất có liên hệ với trạng thái của photon thứ hai thông qua hiện tượng vướng víu lượng tử, qua đó các vật lượng tử cùng chia sẻ các tính chất tương quan.

Trong thí nghiệm của nhóm Bristol, trạng thái của photon thứ hai xác định giao thoa kế là mở, đóng hay chồng chất của cả hai, thành ra xác định hiện thân sóng hay hạt của photon thứ nhất. “Không có loại phương pháp tiếp cận này, bạn sẽ không thể nhìn thấy sự biến hình như thế này giữa sóng và hạt.”

Dụng cụ do nhóm Tanzilli chế tạo hoạt động tương tự - giao thoa kế là đóng đối với các photon phân cực thẳng đứng (do đó tác dụng giống như sóng) và mở đối với các photon phân cực ngang (cái hành xử dưới dạng hạt). Gửi một photon thử qua thiết bị, các nhà nghiên cứu đo một đối photon vướng víu lúc 20 nano giây sau đó để xác định hướng phân cực của photon thử, và do đó xác định nó thuộc phía nào của lưỡng phe sóng-hạt.

Do thiết kế của thí nghiệm và bản chất của sự vướng víu, bản chất sóng hoặc hạt của photon thử không được xác định cho đến khi photon thứ hai được đo – nói cách khác, cho đến 20 nano giây sau đó. “Photon thử hiện diện trong giao thoa kế và được phát hiện, nghĩa là nó bị phân hủy,” Tanzilli nói. “Sau đó chúng tôi xác định hành trạng của nó.” Trật tự thao tác như thế đưa khái niệm lựa chọn trễ đến cực độ của nó. “Nghĩa là không gian và thời gian dường như không có bất cứ vai trò gì trong chuyện này,” Tanzilli nói.

Nhà nghiên cứu thông tin lượng tử Seth Lloyd thuộc Viện Công nghệ Massachusetts đã đặt tên cho hiện tượng trên là “sự chần chừ lượng tử”. “Trong sự có mặt của sự vướng víu lượng tử (trong đó kết cục của các phép đo bị bó buộc với nhau),” ông viết trong bài bình luận trên tạp chí Science, “nên có thể trì hoãn việc đưa ra quyết định, như thể các sự kiện diễn ra từng cái một.”

Những thí nghiệm mới trên bổ sung thêm những nếp gợn mới cho thế giới cong của cơ học lượng tử, trong đó một photon có thể dường như là cái gì như nó muốn, ở đâu như nó muốn. “Feynman gọi nó là một bí ẩn thật sự của cơ học lượng tử,” Shadbolt nói về lưỡng tính sóng-hạt. “Nó rất rất lạ lùng. Cơ học lượng tử rất đỗi lạ lùng, hoàn toàn không có cái tương đương cổ điển, và chúng ta phải chấp nhận nó như vậy.”

Trần Nghiêm (thuvienvatly.com)
Theo Scientific American

Bài trước | Bài kế tiếp