Các nhà vật lí ở Israel là những người đầu tiên làm vướng víu năm photon trong một trạng thái NOON – sự chồng chất của hai trạng thái lượng tử tột bực. Không giống như những kế hoạch trước đây dùng trong việc tạo ra những trạng thái như vậy, các nhà nghiên cứu trên khẳnh định kĩ thuật mới của họ có thể làm vướng víu một số lượng lớn tùy ý của các photon – cái gọi là “các trạng thái NOON cao”. Đây có thể là tin tốt lành cho những ai đang phát triển các kĩ thuật đo lường lượng tử vì các trạng thái NOON cao có thể dùng để cải thiện độ chính xác của một ngưỡng rộng nhiều phép đo khác nhau.
Những tính chất lí thuyết của các trạng thái phát. Thanh chiều cao biểu diễn xác suất cho m, n photon tương ứng trong mode phát c, d. Hình dạng như góc tường biểu diễn xu hướng của mọi photon thoát ra tập thể từ cùng một cổng ra. (Ảnh: Science)
Trong thí nghiệm tưởng tượng nổi tiếng của Schrödinger, toàn bộ các phân tử trong con mèo là ở trong một sự chồng chất của hai trạng thái tột cùng – sống và chết – và một nhà quan sát không thể nói gì cho đến khi một phép đo đưa con mèo vào một trong hai trạng thái đó. Tuy nhiên, những “trạng thái con mèo Schrödinger” tột cùng như vậy cũng được tạo ra trong phòng thí nghiệm. Về mặt lí tưởng, đây có thể là việc phân tách một xung gồm N photon và gửi toàn bộ N photon vào một trong hai lộ trình trực giao nhau. Các photon sẽ ở trong một sự chồng chất của cả hai lộ trình – được gọi là một trạng thái NOON theo cách biểu diễn nó trên phương diện toán học.
Các trạng thái NOON đặc biệt thu hút trong ngành đo lường học lượng tử vì nếu ánh sáng đó được kết hợp trở lại trong một giao thoa kế, thì sai số trong phép đo thu được là cỡ 1/N – so với 1/N1/2 đối với những xung photon thông thường. Nói cách khác, tiện lợi của các trạng thái NOON là phép đo trở nên kém sai số hơn nhiều – so với ánh sáng thông thường – khi số lượng photon tăng lên. Ngoài ra, giới hạn nhiễu xạ cho các trạng thái NOON bằng 1/N giới hạn của ánh sáng thông thường, nghĩa là những trạng thái như vậy có thể cải thiện độ phân giải của kính hiển vi quang học và thuật in thạch bản.
Cần nhiều photon hơn
Mặc dù chẳng có lợi gì nhiều lắm bởi việc sử dụng các trạng thái NOON khi chỉ có vài photon có liên quan, nhưng nếu N là lớn, thì chúng có thể mang lại sự tăng cường đáng kể cho các giao thoa kế và những thiết bị khác. Cho đến nay, các nhà vật lí đã có thể tạo ra các trạng thái NOON với tới bốn photon, nhưng các phương pháp ấy thực hiện khá phức tạp và chuyên biệt cho số lượng chính xác của các photon có liên quan.
Itai Afek, Oron Ambar và Yaron Silberberg tại Viện Khoa học Weizmann vừa nghĩ ra một phương pháp tổng quát tạo ra các trạng thái NOON – và chứng tỏ rằng nó hoạt động với tới 5 photon. Nhược điểm là kĩ thuật đó không thể tạo ra các trạng thái “hoàn hảo”. Đội nghiên cứu tính được là người ta họ có thể thu được độ tin cậy 92% hoặc tốt hơn cho số lượng photon bất kì. Giá trị này không hoàn hảo, nhưng đủ tốt cho những ứng dụng thực tiễn, theo lời Silberberg.
Đội nghiên cứu tạo ra các trạng thái NOON của mình bằng cách chiếu một xung laser thông thường và một “xung lượng tử” đặc biệt chứa các cặp photon bị vướng víu vào một bộ tách chùm tia. Các cặp vướng víu đó được tạo ra bởi sự hoán đổi xuống thông số tự phát, nhờ đó một photon năng lượng cao hơn chiếu vài một tinh thể đặc biệt tạo ra một cặp photon vướng víu ở một năng lượng thấp hơn.
Biên độ và pha
Bộ tách chùm tia có hai cổng vào và hai cổng ra. Các trạng thái NOON là độc đáo vì toàn bộ N photon chọn cùng một cổng ra. Tuy nhiên, nhà thực nghiệm không thể nào biết, ngay cả trên nguyên tắc, đó là cổng nào.
Hai lộ trình sau đó được kết hợp trở lại trong một giao thoa kế Mach Zehnder. Bằng cách đo biên độ và pha của tín hiệu giao thoa thu được, đội khoa học đã xác định được mức độ vướng víu và có bao nhiêu photon bị vướng víu.
Đối với một trạng thái NOON với 5 photon, đội nghiên cứu đã đo được một sự tương phản trong tín hiệu giao thoa khoảng chừng 42%. Trong khi giá trị này thấp hơn giá trị có thể thu được trên lí thuyết là 92%, nhưng nó cao hơn trông đợi nhiều nếu các photon không bị vướng víu gì hết (17%). Đối với các trạng thái 2, 3 và 4 photon, thì độ tương phản tương ứng là 95%; 86%; và 74%.
Jeremy O'Brien ở trường đại học Bristol đã mô tả công trình trên là một thí nghiệm quan trọng, ông cho biết thêm rằng kĩ thuật trên có thể lúc nào đó có ích cho các máy dò sóng hấp dẫn như LIGO. Đây là những giao thoa kế khổng lồ cho đến nay vẫn chưa phát hiện ra sóng hấp dẫn và có thể hưởng lợi từ sự tăng thêm độ nhạy.
O'Brien – người đã hỗ trợ phát triển một kĩ thuật tạo ra các trạng thái NOON 4 photon – tin rằng kĩ thuật trên còn có thể áp dụng cho ngành hiển vi học nghiên cứu các mẫu sinh vật rất nhạy với ánh sáng. Đây là vì các trạng thái NOON có thể mang lại độ phân giải cần thiết, sử dụng ít photon hơn nhiều so với ánh sáng thông thường. Silberberg cho biết đội của ông hiện đang khảo sát xem kĩ thuật trên có thể sửa đổi như thế nào để sử dụng trong kính hiển vi.
Công trình được đăng tải trên tạp chí Science 328 879.
Theo physicsworld.com
