Thiết bị quang học do Jian-Wei Pan và đội của ông sử dụng để tạo ra một trạng thái con mèo Schrödinger tám photon. (Ảnh: Jian-Wei Pan)
Các nhà vật lí ở Trung Quốc vừa phá kỉ lục của chính họ về số lượng photon bị vướng víu trong một “trạng thái con mèo Schrödinger”. Họ đã làm chủ được việc làm vướng víu tám photon trong trạng thái đó, phá kỉ lục sáu photon mà họ lập được hồi năm 2007. Trạng thái con mèo Schrödinger giữ một vai trò quan trọng trong một số thao tác đo lường và điện toán lượng tử. Tuy nhiên, nó rất dễ bị phá hỏng khi các photon tương tác với môi trường xung quanh chúng, nên các nhà nghiên cứu mô tả thành công của họ trong việc tạo ra tám photon như thế là “tiên tiến” trong lĩnh vực điều khiển lượng tử.
Trong thí nghiệm tưởng tượng nổi tiếng của Erwin Schrödinger hồi năm 1935, tất cả các phân tử trong một con mèo ở trong sự chồng chất của hai trạng thái đối ngược – sống và chết – và một nhà quan sát không thể nói nó ở trạng thái nào cho đến khi một phép đo đưa con mèo vào một trong hai trạng thái đó. Ngày nay, các nhà vật lí sử dụng thuật ngữ “trạng thái con mèo Schrödinger” (hay trạng thái Greenberger–Horne–Zeilinger) để mô tả bất kì hệ lượng tử đa hạt nào đang ở trong sự chồng chất của những trạng thái đối ngược nhau.
Thí dụ, một cặp photon vướng víu có thể được tạo ra trong phòng thí nghiệm sao cho chúng ở trong sự chồng chất của hai photon có sự phân cực ngang và hai photon có sự phân cực dọc. Sự vướng víu là một hiệu ứng lượng tử, nghĩa là các hạt như photon chẳng hạn có thể có mối liên hệ gần gũi hơn cái mà vật lí cổ điển cho phép. Bằng cách đo sự phân cực của một trong hai hạt trong cặp, chúng ta lập tức biết được trạng thái của hạt kia, cho dù chúng ở cách xa nhau bao nhiêu chăng nữa.
Trạng thái con mèo Schrödinger gồm tám photon bị vướng víu được tao ra bởi Jian-Weo Pan cùng các đồng nghiệp tại trường Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Hoa ở Hefei. Đội nghiên cứu bắt đầu với việc chiếu ánh sáng laser vào một tinh thể phi tuyến, làm biến đổi các photon độc thân năng lượng cao thành những cặp photon bị vướng víu năng lượng thấp hơn với hướng phân cực vuông góc nhau. Sự phân cực của một trong hai photon sau đó bị quay đi 90o, đưa từng cặp vào một trạng thái hai photon con mèo Schrödinger.
Ghép cặp photon
Sau đó, Pan và các đồng nghiệp trích một photon từ mỗi cặp và kết hợp bộ bốn trong một mạng quang gồm hai bộ tách chùm tia phân cực. Một photon chỉ rời khỏi mỗi bộ bốn của mạng nếu như cả bốn photon có sự phân cực giống nhau. Vì không có cách nào biết được sự phân cực chung này là gì, nên các photon bị vướng víu trong một trạng thái con mèo Schrödinger. Nhưng vì mỗi một trong bốn photon bị vướng víu với một photon khác, nên cả tám photon bị vướng víu trong một trạng thái con mèo Schrödinger.
Sự vướng víu này được thiết lập bằng cách đo sự phân cực của tám photon khi chúng ló ra khỏi thí nghiệm. Phép đo này cho biết “độ tin cậy” của tám photon trạng thái con mèo Schrödinger, cái trên thực tế cho biết những trạng thái khác nhau đó gần gũi như thế nào với con mèo Schrödinger trên lí thuyết. Đội nghiên cứu đo được giá trị của độ tin cậy là 0,708 – lớn hơn nhiều so với giá trị ngưỡng 0,5m, giá trị trên đó thì một trạng thái được xem là bị vướng víu.
Theo Xiao-Qi Zhou thuộc trường Đại học Bristol, Anh quốc, Pan và đội của ông có thể đã làm vướng víu tám qubit vì họ đã tách các photon đó thành “ánh sáng bình thường” và “ánh sáng kì lạ”. Cả hai loại được tạo ra bằng cách nghịch đảo tham số và đảm bảo rằng bốn photon kì lạ được gửi cho sự vướng víu bổ sung làm tăng thêm hiệu năng của quá trình.
Tiếp theo có thể là sự siêu vướng víu
Pan phát biểu với physicsworld.com rằng đội của ông có vài ba cách tiếp tục thúc đẩy nghiên cứu này. Một là sử dụng “sự siêu vướng víu” để tạo ra một trạng thái con mèo Schrödinger 16 qubit cho tám photon của họ. Sự siêu vướng víu khai thác công dụng của hơn một độ tự do của photon – xung lượng và sự phân cực, chẳng hạn – làm tăng gấp bội số những trạng thái có thể bị vướng víu. Hồi năm 2008, đội nghiên cứu đã sử dụng sự siêu vướng víu để tạo ra một trạng thái con mèo Schrödinger 10-trạng thái sử dụng năm photon.
Zhou cho biết kĩ thuật tách ánh sáng bình thường và ánh sáng kì lạ cũng có thể dùng để làm vướng víu sáu photon ở hiệu suất cao hơn cái trước đây có thể. Ông nghĩ kĩ thuật này có thể dùng để tạo ra một ngưỡng rộng những trạng thái vướng víu khác nhau có thể dùng trong điện toán lượng tử.
Trạng thái con mèo Schrödinger có thể đặc biệt hữu ích trong sự hiệu chỉnh sai số lượng tử, giúp bảo vệ sự điện toán lượng tử khỏi những tác dụng nhiễu gây hỏng trạng thái. Thí dụ, một bit thông tin lượng tử (qubit) có thể được mã hóa thành cả tám photon thuộc một trạng thái con mèo Schrödinger. Nếu sự phân cực của một trong tám photon bị lật đảo một cách tình cờ, chẳng hạn, thì điều này có thể được hiệu chỉnh bằng cách xác định giá trị của bảy photon kia.
Nguồn: physicsworld.com
