Tạp chí Physics World của Anh vừa bình chọn danh hiệu Đột phá Vật lí năm 2015 cho Jian-Wei Pan và Chaoyang Lu thuộc trường Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Hoa ở thành phố Hợp Phì, tỉnh An Huy, Trung Quốc. Họ là đội đầu tiên thu được sự viễn tải lượng tử đồng thời hai tính chất cố hữu của một hạt sơ cấp – hạt photon. Chín thành tựu còn lại thì nhận được rất nhiều khen ngợi và bao quát nhiều lĩnh vực từ thiên văn học cho đến vật lí y khoa.
Chaoyang Lu (trái) và Jian-Wei Pan trong phòng thí nghiệm của họ, nơi họ tiến hành giao thức viễn tải lượng tử kép của mình. (Ảnh: ĐH Khoa học và Công nghệ Trung Hoa)
Tương tự như trong thế giới viễn tưởng Star Trek, khái niệm viễn tải đã thu hút sự chú ý của các nhà khoa học cũng như rộng rãi công chúng. Thực tại bắt kịp viễn tưởng vào năm 1993, khi một nhóm nhà vật lí quốc tế chứng minh trên lí thuyết được rằng sự viễn tải một trạng thái lượng tử là hoàn toàn có thể, miễn là trạng thái ban đầu đang được sao chép phải được hủy. Sự viễn tải thành công một trạng thái lượng tử, do đó, bao gồm việc tiến hành một phép đo chính xác của một hệ, truyền thông tin đến một địa điểm ở xa và sau đó tái dựng lại bản sao không sai sót của trạng thái ban đầu. Định lí “chống nhân bản vô tính” của cơ học lượng tử không cho phép một bản sao hoàn hảo của một trạng thái lượng tử được tạo ra, nó phải được truyền hoàn toàn từ một hạt này sang hạt kia, sao cho hạt ban đầu không còn ở trạng thái đó nữa.
Hoàn thiện và hoàn hảo
Nói cách khác, một sự truyền hoàn thiện và hoàn hảo được hoàn tất khi hạt ban đầu mất hết mọi tính chất đã viễn tải sang hạt kia. Người ta thu được sự viễn tải thực nghiệm đầu tiên của spin của một photon vào năm 1997, và kể từ đó, mọi thứ từ từng trạng thái của spin nguyên tử, các trường ánh sáng kết hợp và các thực thể khác đã được truyền đi. Nhưng toàn bộ những thí nghiệm này đều hạn chế với việc viễn tải một tính chất duy nhất, và việc nâng lên cho dù là hai tính chất thôi cũng tỏ ra là một kì công khó mà đạt tới.
Nay đội của Pan và Lu cho truyền đi đồng thời spin (trạng thái phân cực) của một photon và moment động lượng quỹ đạo (OAM) của nó sang một photon khác ở xa. Các thí nghiệm viễn tải thường đòi hỏi một “kênh lượng tử” qua đó sự truyền tải thực sự diễn ra. Kênh này thông thường là một tập hợp bổ sung gồm các photon “vướng víu” với các trạng thái lượng tử liên hệ chặt chẽ với nhau đến mức mọi thay đổi tiến hành trên một hạt lập tức ảnh hưởng đến hạt kia. Trong thí nghiệm này, đây là một tập hợp “siêu vướng víu”, trong đó hai hạt đồng thời bị vướng víu spin của chúng và OAM của chúng.
Mặc dù người ta có thể mở rộng phương pháp của Pan để viễn tải nhiều hơn hai tính chất đồng thời, nhưng khó khăn tăng dần khi bổ sung thêm một tính chất nữa – có khả năng giới hạn là ba. Làm như vậy đòi hỏi khả năng điều khiển thực nghiệm 10 photon, và Pan cho biết họ “hi vọng thu được sự vướng víu 10 photon trong vòng vài tháng tới”. Một phương pháp khác cũng đang được phát triển có thể cho phép đội tăng gấp đôi con số đó lên 20 trong thời gian ba năm tới. “Chúng tôi sẽ có thể viễn tải ba bậc tự do của một photon độc thân hay nhiều photon trong thời gian không lâu nữa,” Pan nói.
Khả năng viễn tải đa trạng thái đồng thời là thiết yếu để mô tả đầy đủ một hạt lượng tử, và là một bước thăm dò hướng đến viễn tải bất cứ thứ gì to hơn một hạt lượng tử. Pan cho biết thêm rằng “sự viễn tải lượng tử đã được công nhận là một thành phần chủ chốt trong sự phát triển đang diễn ra của lĩnh vực truyền thông lượng tử đường dài mang lại sự bảo mật không thể xâm nhập, mang lại máy tính lượng tử cực nhanh và các mạng lượng tử.”
Top 10 thành tựu vật lí được sáu biên tập viên và phóng viên của tạp chí Physics World bầu chọn theo các tiêu chuẩn sau:
- tầm quan trọng cơ bản của nghiên cứu;
- tiến bộ đáng kể về nhận thức;
- liên hệ chặt chẽ giữa lí thuyết và thực nghiệm; và
- thu hút sự quan tâm của mọi nhà vật lí .
Sau đây là 9 thành tựu đột phá còn lại.
Lần đầu tiên đo được bức xạ cyclotron từ electron độc thân
Một thành viên đội Project 8 đang điều chỉnh thí nghiệm. (Ảnh: Project 8)
Nhóm hợp tác Project 8 đã đo được bức xạ cyclotron phát ra từ các electron độc thân trong phân rã beta của krypton-83. Bức xạ này được phát ra khi electron đi qua một từ trường, và cho phép đội tiến hành một phép đo rất chính xác của năng lượng tại đó hạt được phát ra. Project 8 hiện đang tích cực cải thiện độ chính xác của phép đo để có thể sử dụng nó tính ra một trong những đại lượng khó nắm bắt nhất trong vật lí học – khối lượng của phản neutrino electron được phát ra đồng thời trong phân rã beta trên.
Tìm thấy các fermion Weyl
Nghiên cứu tiên phong về các fermion Weyl được tiến hành bởi Zahid Hasan thuộc trường Đại học Princeton, Marin Soljačić thuộc Học viện Công nghệ Massachusets, Zhong Fang và Hongming Weng thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Hoa. Những hạt không khối lượng này đã được dự đoán bởi nhà toán học người Đức Hermann Weyl vào năm 1929. Làm việc độc lập nhau, một đội đứng đầu bởi Hasan, và đội kia đứng đầu bởi Fang và Weng, đã tìm thấy bằng chứng mách bảo cho những giả hạt hành xử giống như fermion Weyl ở chất bán dẫn tantalum arsenide. Soljačić và các đồng sự tìm thấy bằng chứng cho fermion Weyl ở một vật liệu khác hẳn – một tinh thể quang lượng tử “gyroid kép”. Bản chất không khối lượng của các fermion Weyl đồng nghĩa với việc chúng có thể được sử dụng trong điện tử học tốc độ cao; và bởi vì chúng được bảo vệ về mặt tô-pô học trước sự tán xạ, nên chúng có thể hữu ích trong các máy tính lượng tử.
Các nhà vật lí khẳng định thí nghiệm vi phạm ‘sơ hở’ Bell
Bas Hensen (trái) và Ronald Hanson điều chỉnh cơ cấu thử nghiệm Bell. (Ảnh: Frank Auperle)
Bas Hensen, Ronald Hanson và các đồng sự thuộc trường Đại học Công nghệ Delft đã tiến hành một phép đo của bất đẳng thức Bell đồng thời thoát khỏi sơ hở định xứ và phát hiện. Thí nghiệm của họ làm vướng víu các spin trong kim cương ở cách nhau 1,28 km rồi sau đó tiến hành đo các tương quan giữa các spin. Khoảng cách lớn giữa hai thỏi kim cương và sự không ràng buộc mà các spin có thể được đo đảm bảo rằng thí nghiệm là không sơ hở - và các kết quả thí nghiệm xác nhận sự tồn tại của khái niệm vướng víu lượng tử.
Lần đầu tiên trực tiếp thu được ánh sáng khả kiến đến từ một ngoại hành tinh
Jorge Martins thuộc Viện Thiên văn Vật lí và Khoa học Vũ trụ và Đại học Porto và các đồng sự ở Bồ Đào Nha, Pháp, Thụy Sĩ và Chile là những người đầu tiên đo được chữ kí quang phổ phân giải cao của ánh sáng phản xạ từ một ngoại hành tinh. Đội đã sử dụng thiết bị Tìm kiếm Hành tinh Vận tốc Xuyên tâm Chính xác Cao tại Đài thiên văn La Silla thuộc Đài thiên văn Nam châu Âu để nghiên cứu ánh sáng đến từ 51 Pegasi b – hành tinh được phát hiện đầu tiên vào năm 1995. Sử dụng một kĩ thuật mới do họ phát triển, Martins và các đồng sự đã có thể đo khối lượng, độ nghiêng quỹ đạo và suất phản chiếu của hành tinh, từ đó có thể suy ra thành phân của bề mặt và khí quyển của hành tinh.
LHCb khẳng định khám phá hai pentaquark
Ảnh minh họa một pentaquark có thể gồm năm quark trong một cấu trúc liên kết chặt. (Ảnh: CERN/Nhóm hợp tác LHCb)
Nhóm hợp tác LHCb tại CERN đã chứng minh rằng 5 quark có thể liên kết với nhau trong những hạt gọi tên là pentaquark. Lần đầu tiên được dự đoán hồi thập niên 1970 và là chủ đề gây tranh cãi vào những năm 2000, sự tồn tại của pentaquark đã được giải quyết trong năm nay khi hai pentaquark với khối lượng khoảng 4400 MeV/c2 đã ló dạng từ các va chạm proton tại LHC. Cả hai dấu hiệu đều có ý nghĩa thống kê lớn hơn 9σ – cao hơn nhiều so với 5σ, tiêu chuẩn vàng cho một khám phá trong lĩnh vực vật lí hạt sơ cấp.
Hydrogen sulphide là chất siêu dẫn nhiệt độ cao nhất tại 203 K
Mikhail Eremets và các đồng sự tại Viện Hóa học Max Planck và Đại học Johannes Gutenberg – cả hai đều ở Đức – đã khám phá vật liệu đầu tiên là chất siêu dẫn ở một nhiệt độ có thể xảy ra tự nhiên trên bề mặt Trái đất. Đội đã tìm thấy hydrogen sulphide dưới áp suất cực cao, gấp 1,5 triệu lần áp suất khí quyển, là một chất siêu dẫn ở nhiệt độ lên tới 203 K, cao hơn 19 K so với nhiệt độ lạnh nhất từng được ghi nhận ở Nam Cực. Trong khi cần có thêm nghiên cứu để tìm hiểu tại sao sự siêu dẫn xảy ra ở vật liệu này, thì khám phá trên có thể lát đường đưa đến thiên đường của các chất siêu dẫn: một vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ phòng.
‘Máy MRI chiến trường’ di động
Michelle Espy và các đồng sự tại Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos ở Mĩ đã chế tạo ra một hệ thống chụp ảnh cộng hưởng từ trường cực thấp thực tế, di động. Không giống như các hệ thống MRI thông thường sử dụng các cuộn dây siêu dẫn để tạo ra những từ trưởng rất cao, hệ thống hoạt động dựa trên các trường yếu hơn nhiều dễ dàng được tạo ra ở những vùng quê xa xôi. Tuy nhiên, điều này có nghĩa là hệ thống phải có khả năng phát hiện những tín hiệu yếu hơn nhiều, thành ra nó sử dụng các dụng cụ giao thoa lượng tử siêu dẫn (SQUID). Với yêu cầu công suất thấp và chế tạo gọn nhẹ, đội nghiên cứu hi vọng thiết kế nguyên mẫu của mình sớm có thể được triển khai để sử dụng ở các trung tâm y tế thuộc các nước đang phát triển, cũng như cho các bệnh viện dã chiến.
Kính hiển vi fermion
Lawrence Cheuk điều chỉnh cơ cấu quang học dùng để làm lạnh bằng laser các nguyên tử sodium (Ảnh: Jose-Luis Olivares/MIT)
Lawrence Cheuk, Martin Zwierlein và các đồng sự tại MIT đã xây dựng được “kính hiển vi fermion” đầu tiên – một dụng cụ có khả năng chụp ảnh tới 1000 nguyên tử cá lẻ trong một chất khí cực lạnh. Đây là bước nhảy vọt lớn trong việc tìm hiểu các electron tương tác với nhau như thế nào trong các vật liệu. Kì công được thực hiện bằng cách làm lạnh các nguyên tử fermion tính xuống đến nhiệt độ cực lạnh, sau đó sử dụng ánh sáng và từ trường để tinh chỉnh các tương tác giữa các nguyên tử. Kĩ thuật hiển vi fermion đưa phương pháp này là tiến thêm một bước quan trọng nữa bằng cách cho phép các nhà vật lí quan sát hành trạng của từng fermion cá lẻ khi chất khí đó nguội đi. Kĩ thuật mới có thể sớm được các nhà nghiên cứu sử dụng để quan sát các tương tác từ giữa các nguyên tử, và thậm chí có thể dùng để phát hiện sự vướng víu lượng tử bên trong tập hợp đó.
Cổng logic lượng tử silicon đầu tiên
Menno Veldhorst (trái) và Andrew Dzurak cùng với thiết bị dùng để làm lạnh và theo dõi cổng CNOT của họ. (Ảnh: Đại học New South Wales)
Andrew Dzurak, Menno Veldhorst và các đồng sự tại trường Đại học New South Wales ở Australia và Đại học Keio ở Nhật Bản, đã chế tạo dụng cụ logic lượng tử đầu tiên làm bằng silicon. Cổng not-điều khiển (CNOT) của họ là một thành phần cơ bản của máy tính lượng tử và được tạo ra bằng các quá trình chế tạo chất bán dẫn thông thường. Dụng cụ sử dụng spin electron để lưu trữ thông tin lượng tử, và các nhà nghiên cứu hiện đang lên kế hoạch nâng cấp công nghệ để chế tạo một con chip máy tính lượng tử kích cỡ thực.
Nguồn: physicsworld.com
