Ảnh minh họa một photon (mũi tên màu vàng) đang phát ra khỏi một nguyên tử (quả cầu màu đỏ) và đồng thời truyền đến người quan sát cùng với photon thứ nhất phản xạ từ gương ra. (Ảnh: Đại học Kĩ thuật Vienna)
Các nhà vật lí ở Đức và Áo vừa chứng minh được rằng từng nguyên tử có thể chuyển động về phía trước và phía sau đồng thời, nhờ sự phát xạ photon và một cái gương được lắp đặt thận trọng. Họ cho biết kết quả này có thể cải thiện kiến thức của chúng ta về sự kết hợp lượng tử và có lẽ có thể giúp xây dựng một máy tính lượng tử có thể hoạt động được.
Là một khái niệm trọng tâm của cơ học lượng tử, sự chồng chất là quan điểm cho rằng một hạt có thể ở hai trạng thái cùng một lúc. Một thí dụ đơn giản của hiện tượng này xảy ra khi các photon độc thân đi qua một khe đôi và tạo nên một hệ vân giao thoa trên màn ảnh phía sau hai khe. Hiện tượng này chứng tỏ từng photon đi qua cả hai khe cùng một lúc.
Người ta có thể thu được một kết quả tương tự bằng cách tách một chùm nguyên tử sao cho mỗi nguyên tử truyền đi theo hai hướng cùng một lúc. Cho đến nay, một sự chồng chất như thế của các trạng thái xung lượng nguyên tử cần phải có một bộ tách chùm vĩ mô nưh một cách tử nhiễu xạ rắn. Nhưng nay sự chồng chất sử dụng sự sắp xếp trên các photon độc thân là kết quả thu được của Markus Oberthaler và các đồng nghiệp tại trường Đại học Heidelberg, cùng với các nhà vật lí tại trường Đại học Kĩ thuật Vienna, Đại học Kĩ thuật Munich và Đại học Ludwig Maximilians.
Cú hích rất nhẹ
Để làm như vậy, nhóm của Oberthaler cho một chùm hẹp, chuyển động chậm, gồm các nguyên tử argon đi qua rất gần một cái gương và sau đó kích thích các nguyên tử bằng một chùm laser. Khi mỗi nguyên tử rơi trở xuống trạng thái năng lượng thấp hơn thì nó phát ra một photon – và một số photon phản xạ khỏi gương. Mỗi photon phát ra mang lại một cú hích rất nhẹ đối với nguyên tử theo hướng ngược lại với hướng photon phát ra. Kết quả là quỹ đạo của photon đó cho biết hướng giật lùi của nguyên tử.
Tuy nhiên, với các photon phát ra ở những góc thích hợp đối với bề mặt gương, không thể nào nói được sự khác biệt giữa một photon truyền ra xa gương khi nó rời khỏi nguyên tử và photon ban đầu chuyển động về phía gương nhưng sau đó bị phản xạ bởi bề mặt gương. Cơ học lượng tử cho chúng ta biết rằng sự không thể phân biệt này đưa nguyên tử đó vào một trạng thái chồng chất – nó không giật lùi về phía gần hay xa gương mà giật lùi theo cả hai hướng đồng thời.
Để chứng minh rằng họ đã tạo ra được trạng thái chồng chất này, đội của Oberthaler đã khai thác thực tế là một chùm nguyên tử có các tính chất kiểu sóng. Các nhà vật lí đã chiếu các nguyên tử argon trước một chùm laser thứ hai, chùm này phản xạ khỏi một cái gương thứ hai để tạo ra một sóng ánh sáng dừng cắt ngang qua chùm argon. Sóng dừng này tác dụng giống như một cách tử nhiễu xạ và có nghĩa là sau khi các nguyên tử đã đi qua laser thứ nhất và có quỹ đạo của chúng đồng thời uốn cong một chút ít về phía gần hoặc ra xa cái gương thứ nhất, thì hai trạng thái nguyên tử đó mỗi trạng thái tách thành một sóng không nhiễu truyền về phía trước và một sóng bị nhiễu xạ.
Phát hiện sự giao thoa
Sau đó, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một máy dò nguyên tử để đo sự giao thoa của sóng không nhiễu từ trạng thái nguyên tử thứ nhất với sóng nhiễu xạ từ trạng thái nguyên tử thứ hai, và đo ngược lại trong một máy dò thứ hai. Họ nhận thấy số đếm ở cả hai máy dò tăng và giảm đều đặn theo kiểu hình sin khi họ thay đổi vị trí của cái gương thứ hai. Điều này có nghĩa là các sóng đang giao thoa kết hợp với nhau và do đó chúng đang phát ra từ một nguồn duy nhất – nói cách khác, các nguyên tử thật sự ở trong hai trạng thái xung lượng đồng thời.
Thí nghiệm này tương tự với thí nghiệm hai khe cơ học lượng tử, vì hai quỹ đạo photon không thể phân biệt rạch ròi đó giữ vai trò của hai khe – nguyên tử tương ứng với cả hai khe cùng lúc. Và giống như thí nghiệm hai khe, công trình mới này cho thấy bằng cách xác định đường đi của hạt, bạn sẽ phá hỏng mất sự chồng chất. Oberthaler và đội của ông chứng minh điều này bằng cách di chuyển chùm tia ra đủ xa khỏi cái gương thứ nhất sao cho nói chung cái gương không có mặt ở đó. Điều này có nghĩa là các photon rời khỏi nguyên tử ở hai hướng ngược nhau có thể phân biệt rõ ràng. Trong trường hợp này, các máy dò không còn đo loạt cực đại và cực tiểu nữa, mà là một tốc độ hơi nhiễu không đổi. Điều này cho biết các sóng nguyên tử khác nhau đi đến laser thứ hai là không kết hợp, vì chúng đi cùng với những nguyên tử khác nhau.
Một lộ trình hướng đến những qubit bền?
Theo thành viên đội nghiên cứu, Jirí Tomkovic, các nhà vật lí thường nghĩ sự phát xạ tự phát từ một nguyên tử là sự phá hủy kết hợp. Đây là vì sự phát xạ này tác dụng giống như một phép đo cho bạn biết rõ nguyên tử hiện đang ở trong trường hợp năng lượng và xung lượng nào. Nhưng ông cho biết công trình mới trên cho thấy sự phát xạ tự phát của một photon độc thân có thể tạo ra một sự chồng chất của các trạng thái như thế nào. Với việc cải thiện kiến thức của chúng ta về sự kết hợp lượng tử, ông tin rằng nghiên cứu này có thể giúp sáng tạo ra các bit (qubit) cơ lượng tử bền dùng cho các máy tính lượng tử. Tuy nhiên, Tomkovic cảnh báo rằng công trình trên có liên quan đến vật lí cơ bản hơn là vật lí ứng dụng.
Nghiên cứu công bố trên tạp chí Nature Physics: doi:10.1038/nphys1961
Nguồn: physicsworld.com
