Các nhà vật lý ép ánh sáng đến giới hạn lượng tử

Một nhóm các nhà vật lý học thuộc Đại học Toronto đã tìm ra một kỹ thuật mới có thể ép ánh sáng đến giới hạn lượng tử cơ bản. Phát hiện này có những ứng dựng tiềm tàng cho đo lường có độ chính xác cao, đồng hồ nguyên tử thế hệ mới, tin học lượng tử mới, và hiểu biết cơ bản nhất về vũ trụ.

Krister Shalm, Rob Adamson và Aephraim Steinberg thuộc Khoa vật lý và trung tâm thông tin và kiểm soát lượng tử tại U of T, công bố phát hiện của họ trên tạp chí quốc tế Nature số ngày 1 tháng 1.

Tiến sĩ Krister Shalm giải thích: “Đo lường chính xác là một phần rất quan trọng của khoa học thí nghiệm: độ chính xác trong đo lường tỉ lệ thuận với lượng thông tin có thể thu được. Trong thế giới lượng tử, mọi thứ đều nhỏ hơn, thì yếu tố chính xác trong đo lường thường bị lảng tránh”.

Ánh sáng là một trong những công cụ đo lường chính xác nhất trong vật lý và được sử dụng để tìm câu trả lời cho những câu hỏi cơ bản trong khoa học từ học thuyết tương đối đến lực hấp dẫn lượng tử. Tuy nhiên ánh sáng cũng có hạn chế trong thế giới của công nghệ lượng tử tiên tiến.

Phần tử nhỏ nhất của ánh sáng là photon và nó nhỏ đến nổi một bóng đèn bình thường tỏa ra hàng tỷ photon trong một phần triệu tỷ một giây. Giáo sư Aephraim Steinberg giải thích: "Bất chấp bản chất không thể tưởng tượng được của những phần tử nhỏ bé này, công nghệ lượng tử hiện đại dưa vào những photon này để chứa và kiểm soát thông tin. Tuy nhiên, điều không chắc chắn, cũng được biết đến như tiếng ồn lượng tử, can thiệp vào quá trình thu thập thông tin”.

Quá trình phát triển của trạng thái ép triphoton. Sự không chắc chắn lượng tử trong triphoton được thể hiện như những giọt nước trên một quả cầu bị "ép". (Ảnh: Victoria Feistner)

Ép là phương pháp làm tăng sự chắc chắn trong một số lượng ví dụ như vị trí hoặc tốc độ nhưng cũng có cái giá của nó. Ông cho biết: “Nếu bạn ép để tăng sự chắc chắn của một thuộc tính, thì sự không chắc chắn của của một thuộc tính bổ sung sẽ tăng”.

Trong thí nghiệm của U of T, các nhà vật lý kết hợp 3 loại photon ánh sáng riêng biệt cùng với nhau trong một sợi quang học để tạo ra một triphoton. Steinberg cho biết: “Một đặc điểm lạ lùng của vật lý lượng tử đó là khi một số photon giống hệt nhau được kết hợp, giống như sợi quang học được sử dụng để truyền internet vào nhà bạn, chúng trải qua một “khủng hoảng nhân dạng”, và không ai có thể biết rõ một photon riêng lẻ đang làm gì”. Các tác giả sau đó ép trạng thái triphoton để hu thập thông tin lượng tử được mã hóa trong trong sự phân cực của triphoton. (Phân cực là thuộc tính của ánh sáng, là cơ sở của những bộ phim 3D, kính dâm giảm chói, và một loạt những công nghệ tiên tiến như mật mã lượng tử).

Trong nghiên cứu trước, các nhà khoa học cho rằng phương pháp ép có thể được sử dụng vô hạn, bỏ qua sự phát triển của sự không chắc chắn theo những hướng không đáng quan tâm. “Tuy nhiên thế giới của phân cực, giống như Trái Đất, không phẳng”, Steinberg nhận xét.

Ông giải thích: “Trạng thái của phân cực có thể được hình dung như một lục địa nhỏ trôi trên một quả cầu. Khi chúng ta ép lục địa triphoton, đầu tiên tất cả đều diễn ra như thí nghiệm ban đầu. Nhưng khi chúng ta ép đến một mức độ nhất định, lục địa kéo dài quá nhiều và bắt đầu bao phủ bề mặt của quả cầu”.

“Tất cả các thí nghiệm trước đây được hạn chế đến những khu vực nhỏ mà quả cầu, giống như nơi bạn ở, trông giống như là phẳng. Công việc này cần xác định triphoton trên một quả cầu, dễ dàng hình dung và áp dụng. Theo đó, chúng tôi cho thấy lần đầu tiên bản chất cầu của phân cực tạo ra những trạng thái khác nhau và đưa ra một giới hạn cho khả năng ép”.

Rob Adamson cho biết: “Tạo ra trạng thái kết hợp đặc biệt này cho phép giới hạn của phương pháp ép có thể được nghiên cứu một cách kỹ lưỡng. Lần đầu tiên chúng tôi đã chứng minh được kỹ thuật tạo ra bất cứ trạng thái triphoton nào mong muốn và cho thấy bản chất cầu của trạng thái phân cực của ánh sáng là kết quả không thể tránh được. Điều này đơn giản là: để hình dung trạng thái lượng tử của ánh sáng, chiếu ánh sáng lên một quả cầu”.