“Đó là cái hiếu kì nhất mà tớ từng chứng kiến trong đời mình!” Alice tự nhủ khi cô nhìn thấy một con mèo Cheshire biến mất và chỉ để lại miệng cười toe toét phía sau. Tuy nhiên, không phải chỉ trong Xứ sở Thần kì thì tính chất của các vật mới có thể tồn tại độc lập với bản thân các vật. Đó là kết luận của một nhóm nhà vật lí đến từ Israel và Anh quốc, họ đã chứng minh được làm thế nào các định luật cơ học lượng tử cho phép một photon ở một chỗ và sự phân cực tròn của nó lại ở một chỗ khác.
Kết quả phản trực giác này có được nhờ khái niệm cơ lượng tử hậu-chọn lọc. Trong vật lí cổ điển, các điều kiện ban đầu của một tập hợp hạt và các quy tắc chi phối hành trạng của những hạt đó trên nguyên tắc đủ để xác định tính chất của các hạt ở bất kì thời điểm nào trong tương lai. Điều đó không đúng trong cơ học lượng tử, trong đó sự diễn tiến của một hạt vốn có tính xác suất. Vì thế trong khi các kết quả của phép đo tiến hành trên một tập hợp hạt sẽ có một phân bố xác suất nhất định, nhưng riêng từng kết quả thì không thể dự đoán được.
Hình minh họa con mèo Cheshire của John Tenniel (1820–1914), phiên bản được tô màu lại.
Khái niệm hậu-chọn lọc, đi tiên phong bởi Yakir Aharonov thuộc trường Đại học Tel Aviv, bao gồm đưa một nhóm hạt vào một trạng thái ban đầu nào đó, đo mỗi hạt ở một thời điểm nhất định trong thời gian, và sau đó tiến hành một tập hợp phép đo thứ hai muộn hơn một chút. Kết quả của các phép đo trung gian, lấy trung bình, sẽ gợi ra những kết quả nhất định cho các phép đo sau đó nhưng sẽ không xác định chúng. Nếu sau đó nhóm được tách thành những nhóm con theo những kết quả sau này, thì dạng thức của những thành viên thuộc những nhóm con đa đạng đó là thông tin chỉ có thể thu được sau những phép đo chính xác, và trước đó thì không biết được.
Chồng chất các quỹ đạo
Trong nghiên cứu mới, Aharonov hợp tác cùng Sandu Popescu thuộc Đại học Bristol, Daniel Rohrlich thuộc Đại học Ben Gurion và Paul Skrzypczyk tại Đại học Cambridge. Nhóm đã nghĩ ra một thí nghiệm, mà theo họ là có thể thực hiện với công nghệ hiện nay, trong đó từng photon phân cực ngang đi qua một bộ tách chùm tia và sau đó truyền qua một loạt dụng cụ quang trước khi được ghi nhận tại một trong ba máy dò. Khi rời khỏi bộ tách chùm tia, mỗi photon ở trong một loại chồng chất nào đó của hai đường đi khác nhau mà nó có thể nhận để đi tới những dụng cụ kia, hai đường đi biểu diễn hai cánh tay của một giao thoa kế.
Các dụng cụ được chọn và bố trí sao cho máy dò thứ nhất chỉ nhấp nháy khi photon ở trong một trạng thái chồng chất nhất định, và trạng thái này là hậu-chọn lọc. Khi đó các nhà nghiên cứu xét cái xảy ra với photon – con mèo Cheshire – và sự phân cực của nó – cái miệng cười toe toét – trong trạng thái hậu-chọn lọc đó. Họ tìm thấy rằng trong khi máy dò photon bất kì sẽ cho biết photon luôn luôn truyền dọc theo cánh bên trái, nhưng một máy dò phân cực thỉnh thoảng có thể đo được moment động lượng ở cánh bên phải. “Chúng tôi có vẻ đã thấy cái Alice chứng kiến,” các nhà nghiên cứu viết, “cái miệng cười toe toét mà không có con mèo!”
Các nhà nghiên cứu trình bày rằng phân tích này thất bại vì nó dựa trên hai loại máy dò được sử dụng ở những thời điểm khác nhau, và rằng nếu chúng được sử dụng đồng thời, thì hai máy dò sẽ luôn luôn cho biết photon và trạng thái phân cực của nó đồng thời trong một cánh. Nhưng Aharonov và các đồng sự cho rằng họ có thể “thu hồi nghịch lí” bằng cách thực hiện cái gọi là “những phép đo yếu”, chúng không mang lại giá trị rạch ròi cho các thông số hạt nhưng thật sự có tác dụng không phá hỏng hoàn toàn trạng thái lượng tử của một hạt, như cái thường xảy ra trong quá trình đo.
Sơ đồ thí nghiệm con mèo Cheshire theo đề xuất của nhóm Aharonov. Các photon truyền từ phía dưới bên trái vào một bộ tách chùm tia (BS1) và truyền dọc theo cánh khác nhau (L và R) trước khi kết hợp trở lại trong một bộ tách chùm tia thứ hai (BS2). Sau đó có thêm các phép đo được thực hiện trên các photon. Ảnh: Yakir Aharonov, New J. Phys. 15 113015
Thực hiện các phép đo yếu
Các nhà nghiên cứu cho biết các phép đo yếu có thể thực hiện trên quỹ đạo của các photon bằng cách thay máy dò thứ nhất trong thí nghiệm giả định của họ bằng một CCD camera và bằng cách đặt một tấm kính trong một cánh tay của giao thoa kế. Sự lệch hướng bởi tấm kính – cái cho biết các photon đã truyền vào cánh đó và sẽ được ghi lại bởi camera – được làm cho nhỏ hơn nhiều so với bề rộng của chùm photon, với sai số khi đó giảm bớt qua các phép đo bội. Tương tự như vậy, trạng thái phân cực được đo bằng cách đặt một bộ phận quang thích hợp trong một cánh và ghi lại sự lệch hướng vuông góc với cái gây ra bởi tấm kính.
Điểm mấu chốt là kiểu bố trí lại này có thể được dùng để đo các thông số khác nhau đồng thời. Như vậy, theo các nhà nghiên cứu, việc đưa đồng thời tấm kính và bộ phận quang vào cánh tay thích hợp của giao thoa kế sẽ chứng minh rằng trạng thái phân cực có thể tồn tại độc lập với photon của nó. Điều này có nghĩa là cuối cùng họ đã tìm thấy con mèo Cheshire.
“Ngoài dòng chính thống”
Đã phải chờ suốt 21 tháng kể từ lúc đăng đề xuất trên trang web bản thảo arXiv đến lúc được công bố trên tạp chí New Journal of Physics, Popescu biết rằng kế hoạch của nhóm ông không nhận được sự tán thành của tất cả những người đã thẩm định nó. “Nó nằm ngoài dòng chính thống,” ông nói. “Nhưng cơ học lượng tử đã tồn tại gần 100 năm qua và người ta vẫn chưa hiểu nó hoàn toàn. Việc khám phá ra những hiệu ứng như thế này, làm bộc lộ tính kì lạ của cơ học lượng tử, có thể hữu ích.”
Popescu cho biết rằng hiệu ứng con mèo Cheshire là khá tổng quát – rằng trên nguyên tắc không có cái gì ngăn cấm sự phân li, nói ví dụ, của spin và điện tích của một electron, hay một nguyên tử với nội năng của nó. Thật vậy, một hướng thay thế cho đề xuất thực nghiệm hiện nay sẽ là lấy một nhóm electron ra khỏi từ trường riêng của nó. Là một hiện tượng nhóm, tác dụng này sẽ có ưu điểm là làm bộc lộ rõ ràng con mèo Cheshire tại một thời điểm trong thời gian thay vì là trung bình của một loạt những phép đo lặp lại, nhưng sẽ đòi hòi những kĩ thuật thực nghiệm nằm ngoài tầm với của công nghệ hiện nay.
Antonio Di Lorenzo thuộc trường Đại học Liên bang Uberlandia ở Brazil đồng ý rằng thí nghiệm do Aharonov và các cộng sự đề xuất có thể dùng để tìm kiếm các con mèo Cheshire lượng tử. Nhưng ông cho biết họ phạm sai lầm trong điều kiện mà họ dùng để nhận ra con mồi của họ. Thay vì xét kết cục của “máy dò con mèo” và “máy dò cái miệng cười” riêng lẻ, theo ông, họ nên xác lập tích của hai kết cục này. Một đáp số khác không, theo ông, sẽ làm hé lộ con mèo.
Theo physicsworld.com
