Lần đầu tiên trông thấy ‘con mèo của Schrödinger’ bằng mắt trần

Con mèo của Schrödinger có thật sự tồn tại không? Bạn hãy cứ cược đi. Lần đầu tiên sự chồng chất lượng tử ở một vật thể đã có thể được trông thấy trước đôi mắt trần.

Thật ra thì Aaron O’Connell cùng các đồng nghiệp tại trường đại học California, Santa Barbara, không tạo ra một con mèo vừa chết vừa sống đồng thời, như Erwin Schrödinger đề xuất trong thí nghiệm tưởng tượng nổi tiếng cách đây 75 năm. Nhưng họ đã thực sự chứng tỏ được rằng một sợi dây kim loại nhỏ xíu đang cộng hưởng - chỉ dài 60 micro mét, nhưng đủ lớn để nhìn thấy mà không cần kính hiển vi – có thể vừa dao động vừa không dao động đồng thời. Chúa ơi, bạn không thể thật sự trông thấy hiệu ứng đang xảy ra được đâu, vì tác dụng rất nhỏ của sự quan sát sẽ lấy đi mất sự chồng chất đó.

“Chúng ta đang nói tới tính kì lạ lượng tử và những thứ ở hai nơi cùng một lúc, nhưng nó gồm toàn các nguyên tử và phân tử, vật chất bình thường chúng ta không có tương tác”, O'Connell nói; ông báo cáo kết quả trên tại cuộc họp tháng 3 của Hội Vật lí Hoa Kì ở Portland, Oregon, ngày hôm qua, 17/3.

a, Ảnh chụp hiển vi điện tử quét của một bộ cộng hưởng âm màng lơ lửng dùng trong thí nghiệm. b, Mốt cộng hưởng mở rộng cơ bản cho phần hoạt tính cơ của bộ cộng hưởng. Bề dày của cấu trúc thay đổi xuyên suốt chu kì dao động. c, Mạch điện tương đương thể hiện bộ cộng hưởng cơ, xây dựng trên mô hình van Dyke-Butterworth cải tiến. d, Sự truyền cổ điển đo được, |S21| (màu xanh), và đường hiệu chỉnh (màu đỏ) của một bộ cộng hưởng cơ tiêu biểu. Ảnh: Nature.

Một cái trống lượng tử đã trở thành đối tượng khả kiến đầu tiên được đưa vào sự chồng chất của các trạng thái lượng tử - vừa gõ vừa không gõ. Ảnh: A. Olsen/iStockphoto

Cái mái chèo dài khoảng 30 micro mét trong thí nghiệm. Ảnh: O’Connell.

Cầu nối giữa những thế giới

Chứng tỏ rằng mọi đối tượng, bất kể kích cỡ của chúng, tuân theo những quy luật như nhau lâu nay là mục tiêu của các nhà vật lí. Nhưng với cơ học lượng tử, đó chẳng phải là vấn đề dễ dàng gì: một vật càng lớn, thì trạng thái lượng tử mong manh của nó càng dễ bị phá hủy bởi tác dụng gây nhiễu của thế giới xung quanh nó. Các thí nghiệm của O’Connell đòi hỏi điều khiển tinh vi và nhiệt độ chỉ 25 mili kelvin để đi trạng thái đó trong vài nano giây trước khi nó bị phá vỡ bởi những tác dụng gây nhiễu từ bên ngoài

“Đó là một cuộc nói chuyện kín, nhưng đủ để thấy một dấu hiệu lượng tử đầu tiên", phát biểu của Markus Aspelmeyer tại trường đại học Vienna, Áo, người không có liên quan trong nghiên cứu trên.

Thao tác chính là nối sợi dây đang cộng hưởng với một qubit siêu dẫn - một mạch điện nhỏ xíu có thể dễ dàng đưa vào một sự chồng chất lượng tử của hai trạng thái năng lượng. “Qubit tác dụng như một cầu nối giữa thế giới vi mô và thế giới vĩ mô”, O’Connell nói. Bằng cách điều chỉnh tần số mà qubit dao động giữa hai trạng thái của nó cho phù hợp với tần số cộng hưởng của dây kim loại, trạng thái lượng tử của qubit đó có thể được truyền sang bộ cộng hưởng.

Khi được đo sau đó, bộ cộng hưởng thỉnh thoảng ở trong trạng thái cơ bản không dao động của nó và thỉnh thoảng ở trong trạng thái dao động “kích thích”. Số lần nó được đo ở mỗi trạng thái tuân theo các định luật xác suất của cơ học lượng tử.

Từ trái sang: Andrew Cleland, Aaron O'Connell và John Martinis, 3 thành viên của đội nghiên cứu đã thực hiện bước đột phá trên.

Tiếp theo có phải là con mèo?

“Giống như là bạn có một cái xích đu của con trẻ đong đưa tới lui”, O’Connell nói. “Chúng tôi đẩy cái xích đu và không đẩy cái xích đu đồng thời vậy”.

“Đây là công trình mang tính thách thức và sáng tạo”, theo lời Khaled Karrai ở trường đại học Ludwig-Maximilian ở Munich, Đức. “Nếu đúng như vậy, thì đây là một đột phá”.

Con mèo của Schrödinger không có khả năng sống sót ở nhiệt độ băng giá của những thí nghiệm như thế, cho nên có lẽ không phải là cột mốc tiếp theo trên con đường tìm kiếm. Nhưng giờ thì tác dụng ma quỷ của vật lí lượng tử lên những vật khả kiến đã được chứng minh, vậy chúng ta có thể trông đợi việc đưa một vật lớn như cái xích đu thật của con trẻ vào trong một trạng thái lượng tử không xác định trong tương lai gần trước mắt hay không? O’Connell nghĩ là có thể đấy. “Tôi thích nói là trong tương lai gần – trong vòng 20 năm tới thôi”.

Tham khảo: Nature, DOI: 10.1038/nature08967

Theo New Scientist, Nature, PhysOrg.com, Daily Mail