Trong hàng thế kỉ, con người đã và đang mở rộng kiến thức của mình về thế giới thông qua việc đo lường ngày càng chính xác hơn về ánh sáng và vật chất. Ngày nay, các cảm biến lượng tử thu được các kết quả cực kì chuẩn xác. Một ví dụ là sự phát triển đồng hồ nguyên tử, nó không hề sai lệch quá một giây trong ba mươi tỉ năm. Sóng hấp dẫn cũng được phát hiện thông qua các cảm biến lượng tử, trong trường hợp này là bởi các giao thoa kế quang học.
Các cảm biến lượng tử có thể đạt tới những độ nhạy không thể nào có được theo các định luật vật lí thông thường chi phối cuộc sống hằng ngày. Các cấp độ nhạy đó chỉ có thể đạt tới nếu người ta tiến vào thế giới cơ học lượng tử cùng với các tính chất kì bí của nó – ví dụ như hiện tượng chồng chất, trong đó các vật có thể ở hai nơi cùng lúc và trong đó một nguyên tử có thể có đồng thời hai mức năng lượng khác nhau.
Vừa tạo ra vừa điều khiển các trạng thái phi cổ điển như thế là nhiệm vụ cực kì phức tạp. Do đòi hỏi mức độ nhạy cao, nên các phép đo này dễ bị gây nhiễu từ bên ngoài. Hơn nữa, các trạng thái phi cổ điển phải được điều chỉnh cho phù hợp với một thông số đo nhất định. “Thật đáng tiếc, điều này thường làm tăng mức kém chính xác đối với những thông số đo khác có liên quan,” phát biểu của Fabian Wolf. Khái niệm này có liên hệ mật thiết với nguyên lí bất định Heisenberg. Wolf là thành viên của một đội nghiên cứu đến từ Đại học Leibniz và Viện Quang học Quốc gia ở Florence. Đội nghiên cứu vừa giới thiệu một phương pháp đo dựa trên một trạng thái phi cổ điển phù hợp với hai thông số đo cùng lúc.
Thí nghiệm của họ có thể được hình dung là phiên bản cơ lượng tử của một con lắc đơn. Trong trường hợp này, các thông số đo phù hợp là độ dời cực đại (biên độ) của con lắc và số dao động mỗi giây (tần số). Con lắc gồm một ion magnesium đơn độc dìm trong một “bẫy ion”. Thông qua các tương tác với ánh sáng laser, các nhà nghiên cứu có thể làm lạnh ion magnesium xuống đến trạng thái cơ bản của một hệ cơ lượng tử, trạng thái lạnh nhất có thể đạt tới. Từ đó, họ tạo ra “trạng thái Fock” của chuyển động và dùng một lực ngoài làm con lắc nguyên tử đơn độc dao động. Điều này cho phép họ đo được biên độ và tần số với độ nhạy mà một con lắc bình thường không sánh nổi. Trái với các thí nghiệm trước đây, đây là trường hợp có hai thông số đo mà không phải điều chỉnh trạng thái phi cổ điển.
Sử dụng phương pháp mới này, đội nghiên cứu giảm được thời gian đo xuống còn một nửa trong khi độ phân giải vẫn không đổi hoặc tăng gấp đôi độ phân giải với thời gian đo không đổi. Độ phân giải cao đặc biệt quan trọng đối với các kĩ thuật quang phổ dựa trên sự biến đổi trạng thái chuyển động. Trong trường hợp đặc biệt này, các nhà nghiên cứu dự tính phân tích từng ion phân tử thông qua chiếu xạ laser để kích thích chuyển động phân tử. Thủ tục mới sẽ cho phép họ phân tích trạng thái của phân tử trước khi nó bị phá vỡ bởi sự chiếu xạ laser quá mạnh. “Ví dụ, các phép đo chính xác về phân tử có thể làm sáng tỏ các tương tác giữa vật chất bình thường và vật chất tối, đó sẽ là một đóng góp lớn để giải quyết một trong những bí ẩn lớn nhất trong vật lí đương đại,” Fabian Wolf nói. Phương pháp này cũng có thể cải thiện độ phân giải trong các giao thoa kế quang học, ví dụ như các detector sóng hấp dẫn, do đó giúp người ta nhận thức sâu sắc hơn về buổi bình minh của vũ trụ.
Tham khảo: Fabian Wolf et al, Motional Fock states for quantum-enhanced amplitude and phase measurements with trapped ions, Nature Communications (2019). DOI: 10.1038/s41467-019-10576-4
Nguồn: PhysOrg.com
