‘Chộp’ được hàm sóng của hạt photon

Hàm sóng của một photon, chứa mọi thông tin về nó tại bất kì thời điểm nào, được minh họa màu trong ảnh minh họa này, lồng trong ảnh chụp hệ thống thiết bị thí nghiệm mà Lundeen và đội của ông sử dụng. (Ảnh: Jeff Lundeen và Charles Bamber)

Trong cách hiểu chính thống của cơ học lượng tử, hàm sóng hàm chứa những kiến thức tối đa mà người ta biết về trạng thái của một hệ. Nó xác định xác suất thu được những kết quả khác nhau khi thực hiện những phép đo trên các biến động lực của hệ như vị trí hay xung lượng của nó.

Tuy nhiên, việc đo hàm sóng là công việc chẳng dễ dàng gì. Nhờ nguyên lí bất định Heisenberg, việc đo một hệ lượng tử mà không làm hỏng nó trước khi hàm sóng hoàn toàn được biết rõ là điều có vẻ như không thể. Nay với một cách tiếp cận với phép đo lượng tử, Jeff Lundeen và đội của ông thuộc Hội đồng Nghiên cứu Quốc gia Canada lần đầu tiên đã đo được trực tiếp hàm sóng của những photon độc thân y hệt nhau.

Thực hiện phép đo trên chỉ một bản sao của hệ - thí dụ chỉ một photon độc thân thôi – mang lại cho chúng ta một phần của hàm sóng. Tuy nhiên, phép đo phải được lặp lại nhiều lần trên tập hợp những photon y hệt nhau để thu thập đủ thông tin để xây dựng nên toàn bộ hàm sóng. Dạng phép đo gián tiếp này gọi là “xạ chụp lượng tử” và thỉnh thoảng đã được sử dụng.

Ghi lại những gợn sóng

Lundeen ví von xạ chụp với việc lập bản vẽ hình dạng của một gợn sóng trên mặt hồ (hàm sóng) bằng cách chụp nhanh bóng của các gợn sóng trên đáy hồ. bằng cách kết hợp thông tin từ nhiều ảnh chụp nhanh, hình dạng của gợn sóng đó có thể được suy luận ra. Tuy nhiên, trong xạ chụp lượng tử, mỗi phép đo chụp nhanh là quá “mạnh” nên nó phá hỏng gợn sóng và quá trình đó phải được lặp lại với những gợn sóng y hệt nhau. Ngoài bản chất triệt tiêu, những hàm sóng nhất định như orbital nguyên tử hoặc phân tử không thể xác định bằng xạ chụp.

Thay vì tập trung vào các bóng, đội nghiên cứu nêu ra một phương pháp khảo sát trực tiếp cả phần thực và phần ảo của hàm sóng của một tập hợp photon. Phương pháp xây dựng trên khái niệm “phép đo yếu”, phương pháp đã được sử dụng trong thời gian gần đây để đo một số hệ lượng tử - và không phá hủy hàm sóng.

“Kiến thức hàm sóng của chúng ta khá trừu tượng và không có một định nghĩa giáo khoa chính thức nào”, Lundeen nói. “Chúng tôi quyết định lao vào phương pháp đo yếu, bất chấp các nhà khoa học thận trọng với nó như thế nào”. Lundeen giải thích rằng mặc dù lí thuyết đo yếu đã được phát triển hồi thập niên 1980, nhưng nó đã bị nhiều nhà nghiên cứu bỏ qua vì nó mang lại “những kết quả kì lạ” lớn hơn nhiều so với trông đợi. Nguyên nhân cho những kết quả bất ngờ đó là mỗi phép đo yếu cho ta một số phức – nó có một phần thực và một phần ảo.

Những phép đo nhẹ nhàng

Lí thuyết đo yếu phát biểu rằng có thể tiến hành đo “nhẹ nhàng” hay “yếu ớt” một hệ lượng tử và thu lấy một số thông tin về một tính chất (thí dụ, vị trí) mà không gây nhiễu gì đáng kể đối với tính chất bổ sung (xung lượng) và do đó không ảnh hưởng đến sự tiến triển tương lai của hệ. Mặc dù thông tin thu được trong từng phép đo là rất nhỏ, nhưng nếu lấy trung bình nhiều phép đo sẽ mang lại một ước tính chính xác của số đo của tính chất đó mà không làm sai lệch giá trị cuối cùng của nó.

Đối với một phép đo lượng tử thông thường, hệ được đo được kết hợp với một trạng thái khác có thể xem là “kim chỉ thị”. Người ta thu lấy thông tin về tính chất được đo bằng cách quan sát sự biến đổi vị trí của kim chỉ đó. Nói chung, đây được xem là một phép đo mạnh vì có ít sự chồng lấn giữa vị trí ban đầu và vị trí cuối cùng của kim chỉ thị. Sự dò tìm photon ở CCD, chẳng hạn, sẽ làm kim chỉ thị đó nhảy từ không photon đến một photon nhưng kết quả là làm hỏng mất photon đó.

Trong một phép đo yếu, vấn đề diễn ra ngược lại, với vị trí cuối cùng của kim chỉ thị chồng lấn với phạm vi lớn so với vị trí ban đầu của nó. Trong phép đo mà đội nghiên cứu tiến hành, phần thực của hàm sóng được cho bởi một sự lệch nhỏ của kim chỉ thị liên hệ với vị trí của photon. Phần ảo của hàm sóng được cho bởi một sự lệch nhỏ của kim chỉ thị liên hệ với xung lượng của photon. Vì thế, vị trí được đo yếu trong khi xung lượng được đo mạnh.

Bốn bước cơ bản

Thí nghiệm có bốn bước cơ bản. Thứ nhất là tạo ra một dòng photon độc thân với hàm sóng y hệt nhau. “Cái hầu như không thể là đo một hàm sóng với chỉ một bản sao của một hệ lượng tử (thí dụ một photon), đây là cái chúng tôi gần như chắc chắn”, Lundeen giải thích. Đội nghiên cứu sử dụng một chùm laser tắt dần hoặc một quá trình gọi là đảo ngược tham số tự phát (SPDC) để tạo ra dòng photon của mình.

Bước tiếp theo là bố trí phép đo yếu của vị trí ngang của photon bằng cách gây ra một sự quay ở trạng thái phân cực của từng photon đi một lượng rất nhỏ - 10^o – sử dụng một tinh thể thạch anh. Vì sự biến đổi phân cực là nhỏ, nên hệ không bị ảnh hưởng gì nhiều.

Sau đó, các photon được chuẩn trực và chỉ những photon chuyển động theo một hướng đặc biệt mới được dò ra – một quá trình gọi là hậu chọn lọc. Đây là phép đo mạnh. Trong bước cuối cùng, phép đo yếu được thực hiện bằng cách đo hai loại phân cực thật sự xảy ra ở những photon hậu chuẩn trực. Phần thực của số đo là lượng chuyển động quay tuyến tính thật sự xảy ra và phần ảo được cho bởi chuyển động quay tròn hoặc “eliptic” của sự phân cực đã xảy ra. Những giá trị này kết hợp lại cho số đo yếu của hàm sóng. Các nhà nghiên cứu lặp lại phép đo với những photon có hàm sóng khác nhau để xác nhận độ chính xác của các kết quả.

Tốt hơn xạ chụp?

Lundeen cho biết tỉ-số-tín-hiệu-so-với-nhiễu của thí nghiệm của đội khá tốt. Thật vậy, ông cho biết một lợi thế quan trọng của kĩ thuật đo yếu là các kết quả được khuếch đại lên. Do đó, nó có thể tỏ ra đặc biệt hữu ích trong việc nghiên cứu những hệ hiện nay rất khó đo.

Trong khi ông tin rằng sẽ vẫn còn đất dụng võ cho kĩ thuật xạ chụp, nhưng Lundeen cảm thấy những hệ nhất định sẽ hưởng lợi từ kĩ thuật mà đội của ông sử dụng. “Trong khi xạ chụp là một phép đo tổng thể hơn là một sự tái hiện của hàm sóng, thì phép đo của chúng tôi là định xứ và trực tiếp”, ông giải thích. “Lợi ích đơn giản của nghiên cứu của chúng tôi là hiện nay chúng tôi có một định nghĩa giáo khoa của một hàm sóng... một thứ là thiết yếu”.

Nghiên cứu công bố trên tạp chí Nature.

Nguồn: physicsworld.com