Phép đo lượng tử phá vỡ giới hạn Heisenberg

Hiệp Khách Quậy Một nhóm nhà vật lí ở Tây Ban Nha vừa trình bày cách thực hiện một phép đo lượng tử vượt quá giới hạn liên quan đến nguyên lí bất định Werner Heisenberg. Các nhà nghiên cứu trên xác nhận một tiên đoán lí thuyết về phương thức phá vỡ giới hạn Heisenberg bằng cách sử dụng các photon đang tương tác để đo... Xin mời đọc tiếp.

Các nhà nghiên cứu ở Barcelona cho biết chúng ta không hiểu hết làm thế nào áp dụng nguyên lí bất định nổi tiếng của Werner Heisenberg cho những hệ nhiều hạt. (Ảnh: American Institute of Physics/Science Photo Library)

Một nhóm nhà vật lí ở Tây Ban Nha vừa trình bày cách thực hiện một phép đo lượng tử vượt quá giới hạn liên quan đến nguyên lí bất định Werner Heisenberg. Các nhà nghiên cứu trên xác nhận một tiên đoán lí thuyết về phương thức phá vỡ giới hạn Heisenberg bằng cách sử dụng các photon đang tương tác để đo spin nguyên tử, và họ cho biết phương pháp của họ có thể dẫn tới những tìm kiếm nhạy hơn đối với những gợn sóng trong không-thời gian gọi là sóng hấp dẫn và có lẽ còn cải thiện phép chụp ảnh não.

Giới hạn chuẩn đối với độ chính xác mà một phép đo lượng tử có thể thực hiện là do sai số thống kê đi cùng với việc đếm những hạt rời rạc chứ không phải những lượng liên tục. Cho nên, thí dụ, khi đo độ lệch pha giữa hai sóng gửi theo hai cánh tay của một giao thoa kế, thì sai số ở đại lượng này sẽ tỉ lệ với căn bậc hai của tổng số photon được đo, N. Vì tín hiệu tỉ lệ với N, nên tỉ số tín-hiệu-so-với-nhiễu cũng tỉ lệ tương tự như vậy. Hay, nói cách khác, độ nhạy của phép đo, nghĩa là tín hiệu tối thiểu có thể đo với một mức nhiễu cho trước, sẽ tỉ lệ với 1/N1/2.

Tuy nhiên, người ta có thể cải thiện sự tỉ lệ này bằng cách làm vướng víu các photon. Sự vướng víu như vậy cho phép các phép đo đạt tới cái gọi là giới hạn Heisenberg, nghĩa là độ nhạy tỉ lệ với 1/N. Cho đến gần đây, người ta vẫn cho rằng sự tỉ lệ này thể hiện một giới hạn tuyệt đối đối với độ nhạy của các phép đo lượng tử.

Bắt vào bẫy

Tuy nhiên, hồi năm 2007, một nhóm nghiên cứu đứng đầu là Carlton Caves tại trường Đại học New Mexico ở Mĩ đã dự đoán rằng giới hạn Heisenberg có thể bị phá vỡ bằng cách đưa vào các tương tác phi tuyến giữa các hạt đang được đo. Dự đoán đó hiện nay tỏ ra là đúng, nhờ một thí nghiệm thực hiện bởi Morgan Mitchell và các đồng sự tại Viện Khoa học Quang Lượng tử ở Barcelona. Nhóm của Mitchell đã chiếu những xung laser vào một mẫu nguyên tử rubidium cực lạnh giữ trong một bẫy quang và đo xem xung lượng góc spin của nguyên tử làm cho trục phân cực của các photon quay đi như thế nào.

Trong một phép đo tuyến tính, mỗi photon sẽ tương tác độc lập với các nguyên tử, mang lại một tín hiệu tương đối yếu. Nhưng cái các nhà nghiên cứu trên đã làm là thực hiện những phép đo phi tuyến, tăng cường độ của các xung laser đủ để cho mỗi photon, đồng thời ghi lại trạng thái từ của một nguyên tử, còn làm biến đổi cấu trúc điện tử của nguyên tử đó. Điều này hóa ra để lại dấu vết của nó trên sự phân cực của photon tiếp theo, cho nên khuếch đại tín hiệu đó lên. “Chúng tôi có một tín hiệu không phụ thuộc vào cái chúng ta đang nhắm tới, nhưng phụ thuộc vào cái chúng tôi gửi vào”, thành viên đội Mario Napolitano giải thích.

Theo Napolitano, không rõ trên thực tế một tín hiệu có thể khuếch đại theo cách này hay không vì người ta biết rằng sự phi tuyến làm tăng tín hiệu nhưng đồng thời cũng làm tăng sự nhiễu. Nhưng đội của ông đã có thể xử lí sự phi tuyến đó một cách tương ứng, bằng cách tập trung sự tương tác giữa các nguyên tử và photon đến một vùng không gian rất nhỏ và điều chình rất chính xác tần số của laser sao cho nó khớp hoàn toàn với cấu trúc điện tử của các nguyên tử. Khi đó, bằng cách đo độ quay phân cực của các photon bằng một giao thoa kế, đo độ nhiễu và đo số photon, sau đó lặp lại quá trình này với những số photon khác nhau, các nhà nghiên cứu đã có thể chứng tỏ rằng độ nhạy tỉ lệ với số photon tốt hơn sự tỉ lệ của giới hạn Heisenberg. Thật vậy, họ đã thu được độ nhạy tỉ lệ với 1/N3/2.

Đồng hồ và não có thể hưởng lợi

Napolitano cho biết kết quả này không hàm ý rằng nguyên lí bất định Heisenberg là sai, nhưng nó cho thấy chúng ta không hiểu đúng làm thế nào áp dụng nguyên lí đó cho những hệ nhiều hạt. Ông cũng tin rằng công trình nghiên cứu trên cuối cùng có thể có những ứng dụng thực tiễn đáng kể, thí dụ như cải tiến các đồng hồ nguyên tử, biết rằng những dụng cụ như vậy hoạt động dựa trên nguyên lí giao thoa. Ngoài ra, một số nhóm nghiên cứu khác hiện đang khảo sát khả năng đo những biến đổi điện tử trong não bằng cách sử dụng ánh sáng để khảo sát từ tính của các nguyên tử đặt gần não, và nghiên cứu mới trên có thể cải thiện kĩ thuật này.

Jonathan Dowling, một nhà vật lí lí thuyết tại trường Đại học Bang Louisiana ở Mĩ, cho biết công trình mới nhất trên còn có thể giúp tìm kiếm các sóng hấp dẫn. Các nhà nghiên cứu hi vọng ghi được sự biến dạng của không-thời gian do sóng hấp dẫn gây ra bằng cách đo sự chênh lệch quang trình mà hai chùm laser truyền dọc theo hai ống trực giao nhau của một giao thoa kế tuân theo. Dowling cho biết nếu máy dò sóng LIGO ở Mĩ có thể hoạt động với độ nhạy tỉ lệ với 1/N3/2 thay vì với 1/N1/2 thì độ nhạy của nó có thể tăng lên đáng kể, hoặc công suất laser cần thiết của nó giảm đi nhiều, tránh được sự nóng lên và biến dạng của các thiết bị quang của máy.

Tuy nhiên, Barry Sanders, một nhà vật lí lượng tử tại trường Đại học Calgary ở Canada, thì cảnh báo: “Thí nghiệm trên chứng tỏ rằng giới hạn Heisenberg có thể bị phá vỡ trong thế giới thực. Nhưng những ứng dụng thực tiễn là không có khả năng trong tương lai gần vì những thách thức kĩ thuật cần thiết phải vượt qua, đặc biệt là sự nhiễu. Chúng ta vẫn đang trong giai đoạn khảo sát cơ sở vật lí của việc sử dụng các tài nguyên lượng tử dùng cho các phép đo chính xác”.

Nghiên cứu công bố trên tạp chí Nature.

Nguồn: physicsworld.com

Mời đọc thêm