Các nhà vật lí ở Canada và Mĩ khẳng định họ là những người đầu tiên thực hiện được một phép đo yếu của trạng thái lượng tử phân cực của ánh sáng – một kì công thoạt trông có vẻ như thách thức nguyên lí bất định Heisenberg. Kĩ thuật, dựa trên một quá trình gọi là đo yếu, có thể hữu ích trong các nghiên cứu cơ bản về cơ học lượng tử hoặc phát triển điện toán lượng tử.
Trong cơ học lượng tử, cái thường được xem là không thể là việc biết mọi thứ về một hệ cùng một lúc. Chẳng hạn, nếu đo vị trí của một hạt thật chính xác, thì động lượng của hạt sẽ đột ngột trở nên rất kém rõ ràng. Các nhà vật lí gọi những cặp biến như vị trí và động lượng là “liên hợp”: chúng vốn dĩ liên hệ với nhau, nên phép đo tiến hành trên một hạt về cơ bản làm hỏng mất thông tin về hạt kia.
Nhìn bên ngoài, hiện tượng này – được hậu thuẫn trong nguyên lí bất định nổi tiếng của Heisenberg – làm hạn chế thông tin mà các nhà vật lí có thể thu được từ việc nghiên cứu các hệ lượng tử. Nhưng trong 20 năm qua, những kĩ thuật mới đã và đang được phát triển để xử lí tốt hơn về độ bất định và giới hạn chính xác mà nó biểu hiện. Gọi là những phép đo yếu, chúng bao gồm việc thực hiện những cái “nhìn lén” tinh vi vào hệ lượng tử, nên thông tin có thể thu được từng chút một, mà không làm ảnh hưởng gì lớn lên hệ lượng tử.
Khi ánh sáng đi qua một tinh thể lưỡng chiết (hình chữ nhật xiên), các thành phần phân cực ngang và phân cực dọc của ánh sáng phân tán ra trong không gian. Tuy nhiên, một sự chồng lấn giữa hai thành phần (màu đỏ và màu lam) vẫn có khi chúng hiện ra ở phía trên của hình. Trong một phép đo “mạnh”, hai thành phần đó sẽ hoàn toàn tách biệt nhau. (Ảnh: Jonathan Leach)
Vào năm 2011, các nhà vật lí tại Trung tâm Nghiên cứu quốc gia (NRC) ở Ottawa, Canada, khẳng định họ đã có thể sử dụng phép đo yếu để tái hiện trực tiếp hàm sóng của một hệ lượng tử, cái mô tả một hệ lượng tử diễn tiến như thế nào theo thời gian. Trước phép đo yếu, các hàm sóng chỉ được đo gián tiếp trong một kĩ thuật gọi là xạ lượng tử. Kĩ thuật này bao gồm việc thực hiện nhiều phép đo bình thường khác nhau lên các hệ lượng tử tương đương – các photon độc thân ló ra từ cùng một nguồn, chẳng hạn. Thông tin này sau đó được xử lí để tạo ra một bản đồ của trạng thái lượng tử đó.
Kĩ thuật của nhóm NRC bao gồm việc thực hiện một phép đo “yếu” của vị trí của một photon, sau đó là một phép đo “mạnh” bình thường của động lượng của nó. Bằng cách lặp lại quá trình nhiều lần, thông tin thu được từ các phép đo yếu tích lũy cho đến khi các nhà nghiên cứu có đủ lượng thông tin hiệu dụng như việc tiến hành hai phép đo mạnh. Từ đó, họ có thể tái hiện hàm sóng.
Robert Boyd và các đồng sự tại trường Đại học Ottawa và Đại học Rochester đã dựa công trình NRC áp dụng phép đo yếu cho các trạng thái phân cực của ánh sáng. “Nó chứng minh một ví dụ thứ hai của một tình huống trong đó có thể sử dụng phép đo trực tiếp để xác định một hàm sóng lượng tử,” Boyd nói. “Nó cho thấy những kết quả trước đây không phải là sự may mắn tình cờ.”
Sự phân cực của ánh sáng có thể được mô tả bằng những cơ sở trực giao khác nhau, bao gồm ngang-dọc, xiên trái-xiên phải. Như với vị trí và động lượng, những cơ sở này là liên hợp – một phép đo phân cực ngang-dọc, chẳng hạn, sẽ làm phá hỏng thông tin về sự phân cực xiên trái-xiên phải và ngược lại.
Đội nghiên cứu đã sử dụng các tinh thể lưỡng chiết để thực hiện các phép đo. Khi một chùm ánh sáng đi qua một tinh thể như vậy, ánh sáng bị lệch theo sự phân cực của nó – với lượng lệch tùy thuộc vào bề dày của tinh thể. Boyd và các đồng sự đã sử dụng một tinh thể lưỡng chiết mỏng để thực hiện một phép đo yếu của sự phân cực ngang-dọc, sau đó dùng một tinh thể dày để thực hiện một phép đo mạnh của sự phân cực xiên trái-xiên phải. Bằng cách thực hiện quá trình này nhiều lần cho những photon giống hệt nhau trong chùm ánh sáng, họ dần dần có thể dựng nên thông tin đầy đủ của cả hai sự phân cực. Rồi sau khi suy luận ra giá trị của sự phân cực thứ ba, trái-phải, họ có thể tái hiện trạng thái phân cực đó một cách đầy đủ.
Jeff Lundeen, một thành viên của nhóm NRC đã đo hàm sóng không gian hồi năm 2011, tin rằng nghiên cứu mới trên là quan trọng bởi vì sự phân cực là một biến rời rạc, “hai mức” – ngược với vị trí và động lượng, chúng là liên tục. Chính bản chất hai mức của sự phân cực – tương đương với số nhị phân 0 và 1 – đưa nó đến với điện toán lượng tử, trong đó nó tạo nên cơ sở của các bit thông tin lượng tử, hay qubit. Do đó, kĩ thuật của Boyd và các đồng sự sẽ thu hút sự quan tâm to lớn của những ai đang phát triển điện toán lượng tử.
Howard Wiseman tại trường Đại học Griffith ở Brisbane, Australia, gọi kết quả trên là một sự “khái quát hóa” của kết quả năm 2011. Tuy nhiên, ông cho biết rằng bằng cách buộc một hệ để lộ hàm sóng của nó trực tiếp, các nhà nghiên cứu có thể làm mất một số “yêu cầu toán học” mà một trạng thái lượng tử chân thật sẽ biểu hiện.
Nhóm của Boyd hiện đang hoàn thiện kĩ thuật của họ. Các nhà nghiên cứu này muốn tìm hiểu xem một hàm sóng lượng tử sẽ bị nhiễu như thế nào, ví dụ như khi một photon đi qua một nhiễu loạn trong khí quyển Trái đất. “Những phép đo như thế là cần thiết để triển khai sự truyền thông lượng tử,” Boyd nói.
Nghiên cứu công bố trên tạp chí Nature Photonics.
Nguồn: physicsworld.com
