Các nhà nghiên cứu tại Viện Quang học Lượng tử Max Planck ở Garching, Đức, vừa thành công trong việc tạo ra các trạng thái con mèo Schrödinger bằng cách sử dụng một đơn nguyên tử rubidium-87 trong một hộp cộng hưởng quang học để điều khiển một xung ánh sáng đang lan truyền. Kì công này có thể giúp thúc đẩy lĩnh vực kĩ thuật trạng thái lượng tử cùng với những ứng dụng khả dĩ trong điện toán lượng tử và mạng lượng tử.
Vào năm 1935, nhà vật lí Erwin Schrödinger đã nghĩ ra thí nghiệm giả tưởng nổi tiếng của ông liên quan đến một con mèo có vừa chết vừa sống đồng thời. Trong thí nghiệm giả tưởng của ông, sự phân hủy của một nguyên tử phóng xạ kích hoạt một cơ chế (đập vỡ một lọ chứa chất khí độc) giết chết con mèo. Tuy nhiên, vì sự phân hủy của nguyên tử phóng xạ là hiện tượng lượng tử và hoàn toàn ngẫu nhiên, cho nên chúng ta không biết biết được thời khắc nào con mèo tiêu tùng. Về mặt toán học, con mèo ấy nằm trong sự chồng chất liên đới của các trạng thái lượng tử - gọi là trạng thái “con mèo Schrödinger”.
Tái tạo trạng thái này là nhiệm vụ chẳng dễ dàng gì, song các nhà nghiên cứu đã biết cách làm việc này trong những năm gần đây, sử dụng sự chồng chất lượng tử của các trạng thái kết hợp của một trường laser với các biên độ, hay pha khác nhau của trường. Họ còn tạo ra được những trạng thái này bằng cách sử dụng một ion bị bẫy (với trạng thái dao động của ion trong bẫy giữ vai trò của con mèo) và các trường vi sóng kết hợp bị nhốt trong các hộp siêu dẫn, kết hợp với các nguyên tử Rydberg và các bit lượng tử (qubit) siêu dẫn.
Ảnh minh họa hộp cộng hưởng quang học (các gương thủy tinh tròn) cùng với một nguyên tử bị bắt giữ (hạt nhân màu đỏ với các orbital electron màu vàng) ở giữa. Hàm Wigner đo được của trạng thái con mèo từ thí nghiệm được biểu diễn ở phía trước. Nó có hai cực đại chính biểu diễn các trạng thái “con mèo sống” và “con mèo chết” và một kiểu vân sọc ở giữa, nó mã hóa sự kết hợp của sự chồng chất. Trạng thái vừa mới thoát ra hộp cộng hưởng và truyền vào không gian tự do. Ảnh: Bastian Hacker.
Sự chồng chất có điều khiển của hai trạng thái
Một đội nghiên cứu dưới sự chỉ đạo của Gerhard Rempe vừa tạo ra được các trạng thái con mèo Schrödinger ánh sáng-vật chất liên đới bằng cách cho phản xạ các xung laser kết hợp từ một hộp cộng hưởng quang học chứa một đơn nguyên tử bị bẫy ở trong sự chồng chất có điều khiển của hai trạng thái (spin up và spin down).
Hộp cộng hưởng quang học gồm hai cái gương có suất phản xạ hơn 99,99% đối mặt vào nhau sao cho chúng có thể làm phản xạ một xung laser tới lui khoảng 10.000 lần. Vì thế xung ánh sáng tương tác rất mạnh với nguyên tử bị bẫy.
“Chúng tôi bắt giữ một đơn nguyên tử 87Rb trong hộp cộng hưởng, nó có thể làm lệch pha một xung ánh sáng lọt vào,” Bastian Hacker, tác giả đứng tên đầu nghiên cứu cho biết. “Nếu nguyên tử đó ở trong sự chồng chất ngang nhau của các trạng thái spin up và spin down, thì xung ánh sáng đó cũng được mang vào một trạng thái chồng chất.”
Kĩ thuật có tính tất định, vì xung ánh sáng trở nên liên đới với nguyên tử trong mỗi lần thử.
“Các trạng thái con mèo đã được cho là tồn tại trên giả thuyết trong hàng thập kỉ nay và công thức tạo ra chúng với một bộ cộng hưởng quang học, như trong nghiên cứu của chúng tôi, lần đầu tiên được nêu ra trong một bài báo hồi năm 2005. Thấy được đề xuất này cuối cùng vận hành được là điều hào hứng nhất và nó là một trong vô số thành tựu của cơ học lượng tử,” Hacker nói.
Đo hàm Wigner
Để xác nhận các xung ánh sáng có thật sự ở trong trạng thái con mèo Schrödinger hay không, các nhà nghiên cứu đã đo hàm Wigner của chúng, đó là một đặc trưng quan trọng của các hệ phi cổ điển. “Tính chất của các xung sáng được mô tả trong cái gọi là không gian pha trong đó mỗi điểm biểu diễn một biên độ và pha của một sóng ánh sáng,” Hacker giải thích. “Hàm Wigner là một phân bố xác suất cơ lượng tử trong không gian pha và nó chứa một mô tả rõ ràng của một trạng thái quang học.”
Trong lô gic cổ điển và vật lí cổ điển, các phân bố xác suất luôn luôn dương và các xác suất âm không tồn tại, ông nói. Trái lại, hàm Wigner của các trạng thái quang học đặc biệt như các trạng thái con mèo có thể trở nên âm. “Đây là một tương lai lượng tử xác thực và một trạng thái như thế không thể nào mô tả được bằng vật lí cổ điển.”
Cổng lô gic lượng tử
Các nhà nghiên cứu không dừng lại ở đó. Là ứng dụng đầu tiên cho thí nghiệm chứng minh-khái niệm của họ, họ đã chế tạo một cổng lô gic lượng tử giữa một nguyên tử và một xung ánh sáng, với một qubit quang lượng tử mã hóa trong pha của trường ánh sáng.
“Mỗi cổng lô gic lượng tử có các qubit làm input và output và thực thi một phép tính cơ bản trên bất kì kết hợp nào của các trạng thái input – y hệt như một cổng lô gic cổ điển trong bất kì máy tính nào,” giải thích của thành viên đội nghiên cứu, Severin Daiß. “Trong thí nghiệm của chúng tôi, một qubit dược lưu trữ trên nguyên tử đó và một qubit thứ hai được mã hóa trong trạng thái con mèo.”
Trong bố trí này, qubit “0” là trường ánh sáng ở một pha nhất định (“con mèo sống”) và qubit “1” là trường ánh sáng ở pha ngược lại (“con mèo chết”). Cổng hoạt động bằng cách gửi xung ánh sáng lên trên bộ cộng hưởng quang học, nó khuếch đại trường ánh sáng tại vị trí của nguyên tử. “Do đó, nguyên tử và trường ánh sáng đều có thể thay đổi trạng thái của nhau để thực thi một toán tử NOT có điều khiển (CNOT), giống như một toán tử cộng cổ điển,” Daiß nói. “Nhưng trái với một cổng cổ điển, các trạng thái input nhất định dẫn tới một output liên đới giữa nguyên tử và các xung ánh sáng – cái chúng tôi đã thấy trong công trình của mình.”
Trạng thái con mèo cho các mạng lượng tử
Tuy nhiên, các trạng thái con mèo có thể không chỉ tốt cho việc giải quyết các câu hỏi triết lí xưa cũ về phạm vi của cơ học lượng tử. Chúng thật sự cho phép mã hóa các qubit theo kiểu sao cho các tổn thất quang học có thể phát hiện được và khắc phục được. “Điều này trái ngược hoàn toàn với các photon độc thân, trong đó các tổn thất xóa vĩnh viễn thông tin truyền tải. Điều này có nghĩa là các trạng thái con mèo có sức hấp dẫn đối với các ứng dụng trong các mạng lượng tử cấp độ nhỏ trong đó các nguyên tử trong một hộp cộng hưởng tác dụng như các nút gửi và nút nhận kết nối bằng sợi quang mà qua đó các trạng thái có thể lan truyền.”
Các nhà nghiên cứu Max Planck công bố các thí nghiệm của họ trên tạp chí Nature Photonics 10.1038/s41566-018-0339-5, và hiện đang tìm cách cải tiến các hộp cộng hưởng quang học của họ để giảm tổn thất. “Làm được việc này sẽ cho phép chúng tôi tạo ra các trạng thái lớn hơn và phức tạp hơn,” Rempe nói. “Chúng tôi còn muốn tạo ra các nút mạng lượng tử dựa trên các bộ cộng hưởng mạnh hơn với sự điều khiển độc lập nhiều hơn một nguyên tử trong bộ cộng hưởng.”
Nguồn: Live Science
