Các nhà khoa học vừa làm sáng tỏ thêm một ít, đúng theo nghĩa đen, về những quá trình khó hiểu chi phối các nguyên tử, trong một thí nghiệm mới cho thấy kết quả của sự tán xạ của một photon ánh sáng trên một nguyên tử.
Các nguyên tử và các hạt vật chất tuân theo một tập hợp quy tắc gọi là cơ học lượng tử, chúng hơi khác với những quy tắc của những vật thông thường.
“Sự khác biệt chủ yếu giữa hành trạng cơ lượng tử và hành trạng cổ điển là ở chỗ các hệ lượng tử có thể tồn tại trong một vài trạng thái, một vài thực tại cùng một lúc,” nhà vật lí Roee Ozeri tại Viện Khoa học Weizmann ở Israel giải thích. “Chúng có thể ở một vài nơi đồng thời, hoặc có thể hướng theo vài chiều cùng lúc.”
Tuy nhiên, đối với những vật hàng ngày trong thế giới vĩ mô, khả năng ở hai nơi đồng thời này, gọi là sự chồng chất, không còn nữa, và vật lí cổ điển chiếm ưu thế. Khi một hệ lượng tử chuyển tiếp sang thế giới cổ điển, thì quá trình đó được gọi là sự mất kết hợp.
Ảnh màu giả của một chùm laser cho thấy sự chồng chất của những photon vướng víu có spin ngược nhau
“Sự mất kết hợp là quá trình nhờ đó hiện tượng này, ở nhiều trạng thái cùng lúc, biến mất và hệ quy về một thực tại vật lí đơn nhất,” Ozeri nói.
Để hiểu rõ hơn sự mất kết hợp hoạt động như thế nào, Ozeri và các đồng sự của ông, dưới sự chỉ đạo của Yinnon Glickman tại Viện Khoa học Weizmann, đã chiếu những hạt ánh sáng độc thân, gọi là photon, từ một laser vào các nguyên tử. Sau khi các photon va chạm với các nguyên tử, chúng bật trở ra (một quá trình gọi là sự tán xạ) và chúng được thu gom bởi một máy dò. Bố trí như thế cho phép các nhà nghiên cứu đo được tác dụng của ánh sáng lên spin của từng nguyên tử.
Sự chồng chất thường bị phá hỏng (gọi là mất kết hợp) khi một hệ lượng tử được đo, vì tác dụng đo đưa hệ vào một trạng thái này hoặc trạng thái kia. Nhưng các nhà nghiên cứu đã tìm thấy trong thí nghiệm của họ, kết cục phụ thuộc vào spin của nguyên tử có sắp thẳng hàng với chiều của ánh sáng laser hay không.
Nếu spin của nguyên tử ban đầu sắp theo một hướng khác với chiều của ánh sáng, thì nguyên tử đó sẽ trở nên bị vướng víu với hạt ánh sáng đó. Khi hai hạt bị vướng víu, chúng vẫn giữ mối tương quan cho dù cách nhau bao xa, cho nên một tác dụng thực hiện trên hạt này sẽ ảnh hưởng đến hạt kia.
Sự vướng víu mở đường cho sự mất kết hợp, bởi vì một sự biến đổi trong môi trường của hạt này hoặc hạt kia sẽ ảnh hưởng đến hạt còn lại. Trong trường hợp thí nghiệm, sự mất kết hợp xảy ra khi hạt photon, lúc này đã vướng víu với nguyên tử, bị máy dò ánh sáng hấp thụ.
Tuy nhiên, thí nghiệm cũng cho thấy nếu spin của nguyên tử ban đầu sắp cùng chiều với ánh sáng laser, thì hạt photon và nguyên tử không bị vướng víu, và do đó, sự mất kết hợp là tránh được.
“Trong nghiên cứu này, Glickman và các đồng sự cho thấy rằng sự chồng chất lượng tử được bảo toàn nếu hạt photon được phát hiện trong một chiều được xác định rõ và được đồng bộ với pha của sự chồng chất lượng tử đó,” phát biểu của nhà vật lí Peter Maunz thuộc Phòng thí nghiệm quốc gia Sandia ở Mĩ, người không có liên quan trong nghiên cứu trên.
Kết quả trên có thể giúp các nhà vật lí khai thác sức mạnh của cơ học lượng tử cho các công nghệ như những loại đồng hồ tốt hơn hay máy tính lượng tử, chúng sẽ có công suất và tốc độ tăng đáng kể so với máy vi tính thông thường. Để hiện thực hóa những công nghệ này, các nhà khoa học phải có thể xử lí, và đo, các hệ lượng tử, đồng thời bảo toàn bản chất lượng tử của chúng mà không gây ra sự mất kết hợp.
“Toàn bộ những công nghệ này thật sự hoạt động dựa trên hành trạng lượng tử của những hệ như thế này,” Ozeri nói. “Vì mục đích này, bạn thật sự phải chiến đấu với sự mất kết hợp. Bạn phải hiểu cơ chế khiến nó xảy ra để tìm phương thức xử lí.”
Nghiên cứu mới trên chỉ là một bước tiến theo xu hướng đó.
“Đây là một thí nghiệm rất đẹp, đào sâu thêm kiến thức về quá trình tán xạ ánh sáng,” Maunz nói. “Thật hào hứng khi thấy sự phát xạ tự phát một photon không nhất thiết là phá hỏng sự chồng chất lượng tử. Kiến thức sâu sắc về quá trình đo lường lượng tử và sự mất kết hợp của những hệ lượng tử thu được từ thí nghiệm này giúp người ta hiểu rõ hơn các hiện tượng vật lí cơ sở và sẽ đặt nền tảng để tăng cường sử dụng các photon tán xạ từ những nguyên tử độc thân cho các ứng dụng trong xử lí thông tin lượng tử.”
Nguồn: LiveScience
