Nguyên lí bất định Heisenberg, do nhà vật lí lí thuyết Werner Heisenberg thiết lập vào năm 1927, là một trong những cột trụ của cơ học lượng tử. Ở dạng thức quen thuộc nhất của nó, nó phát biểu rằng không thể đo bất cứ cái gì mà không gây nhiễu đối với nó. Chẳng hạn, mọi nỗ lực đo vị trí của một hạt phải làm thay đổi ngẫu nhiên tốc độ của nó.
Đây là phương pháp chung để đo độ chính xác và độ nhiễu loạn của bất kì một hệ nào. Hệ được đo yếu trước thiết bị đo rồi sau đó mới đo mạnh. Ảnh: Lee Rozema, Đại học Toronto
Nguyên lí bất định đã hành hạ các nhà vật lí lượng tử trong gần một thế kỉ, mãi cho đến thời gian gần đây, khi các nhà nghiên cứu tại trường Đại học Toronto chứng minh khả năng đo trực tiếp sự nhiễu loạn đó và xác nhận rằng Heisenberg đã quá bi quan.
“Chúng tôi đã thiết kế ra một thiết bị để đo một tính chất – sự phân cực – của một photon độc thân. Khi đó chúng tôi cần đo thiết bị đã làm nhiễu photon đó hết bao nhiêu,” phát biểu của Lee Rozema, một nghiên cứu sinh tiến sĩ trong nhóm nghiên cứu quang học lượng tử của giáo sư Aephraim Steinberg tại trường Đại học Toronto, và là tác giả đứng tên đầu của một nghiên cứu công bố trong số ra tuần này của tạp chí Physical Review Letters.
“Để làm như vậy, chúng tôi cần đo photon đó trước thiết bị nhưng phép đo đó cũng sẽ làm nhiễu photon,” Rozema nói.
Các nghiên cứu sinh Dylan Mahler (trái) và Lee Rozema (phải) đang chuẩn bị các cặp photon vướng víu để nghiên cứu sự nhiễu loạn mà các photon đó chịu sau khi chúng bị đo. Ảnh: Dylan Mahler, Đại học Toronto
Nhằm khắc phục trở ngại này, Rozema và các đồng sự của ông đã sử dụng một kĩ thuật gọi là phép đo yếu trong đó tác dụng của một dụng cụ đo là đủ yếu để có sự tác động không thể nhận thấy lên cái đang được đo. Trước khi mỗi photon được đưa vào thiết bị đo, các nhà nghiên cứu đo yếu nó và sau đó đo nó một lần nữa rồi so sánh các kết quả. Họ tìm thấy rằng sự nhiễu loạn gây ra bởi phép đo là nhỏ hơn cái do mối liên hệ chính xác-nhiễu loạn mà nguyên lí Heisenberg đòi hỏi.
“Mỗi lần đo chỉ cho chúng tôi biết chút xíu thông tin về sự nhiễu loạn đó, nhưng bằng cách lặp lại thí nghiệm nhiều lần chúng tôi đã có thể có một ý tưởng rất tốt rằng photon đó đã bị nhiễu bao nhiêu,” Rozema nói.
Các kết quả trên xây dựng trên những thách thức gần đây với nguyên lí bất định Heisenberg bởi các nhà vật lí trên khắp thế giới. Nhà vật lí Masanao Ozawa tại trường Đại học Nagoya đã đề xuất hồi năm 2003 rằng nguyên lí bất định Heisenberg không áp dụng cho sự đo lường, mà chỉ đề xuất một cách gián tiếp xác nhận những tiên đoán của ông. Một sự xác thực thuộc loại do ông đề xuất đã được thực hiện hồi năm ngoái bởi nhóm của Yuji Hasegawa tại trường Đại học Công nghệ Vienna. Vào năm 2010, các nhà khoa học Austin Lund và Howard Wiseman tại trường Đại học Griffith đã chứng minh rằng có thể dùng các phép đo yếu để đặc trưng cho quá trình đo một hệ lượng tử. Tuy nhiên, vẫn còn có những trở ngại nhất định vì quan điểm của họ đòi hỏi một máy vi tính lượng tử nhỏ, thiết bị vốn khó chế tạo.
“Trước đây, chúng tôi đã nghiên cứu thực nghiệm cả việc triển khai những phép đo yếu, và sử dụng một kĩ thuật gọi là ‘điện toán lượng tử trạng thái đám’ để đơn hóa việc chế tạo các máy tính lượng tử. Sự kết hợp hai quan điểm đưa đến sự nhận thức rằng có một cách triển khai các ý tưởng của Lund và Wiseman trong phòng thí nghiệm,” Rozema nói.
Người ta thường cho rằng nguyên lí bất định Heisenberg áp dụng một sự bất định nội tại mà một hệ lượng tử phải có, cũng như các phép đo. Những kết quả này cho thấy điều này là không đúng và chứng minh rằng người ta có thể thu được độ chính xác với các kĩ thuật đo yếu.
“Các kết quả trên buộc chúng tôi phải điều chỉnh quan điểm của mình rằng chính xác thì cơ học lượng tử đặt ra những giới hạn gì lên phép đo,” Rozema nói. “Những giới hạn này là quan trọng đối với cơ học lượng tử căn bản và cũng là trọng tâm trong việc phát triển công nghệ ‘mật mã học lượng tử’, cái hoạt động dựa trên nguyên lí bất định để đảm bảo bất kì tên nghe trộm nào cũng sẽ bị phát hiện ra do sự nhiễu gây ra bởi phép đo của cô ta.”
“Thế giới lượng tử vẫn tràn đầy sự bất định, nhưng ít ra thì những nỗ lực của chúng ta nhìn vào nó không phải gây thêm bất định nhiều như chúng ta thường nghĩ!”
Tham khảo: prl.aps.org/abstract/PRL/v109/i10/e100404
123physics (thuvienvatly.com)
Nguồn: University of Toronto
