Các nhà nghiên cứu đã phát triển một kỹ thuật mới có thể vướng víu hàng nghìn nguyên tử với một photon đơn lẻ, mở ra cánh cửa cho một loại mới các trạng thái vướng víu.

 Các nhà vật lý từ MIT và Đại học Belgrade đã phát triển một kỹ thuật mới có thể vướng víu thành công 3.000 nguyên tử với chỉ một photon đơn lẻ. Các kết quả được công bố trên tạp chí Nature, cho thấy số lượng lớn nhất các hạt từng bị vướng lẫn nhau trong thí nghiệm.

 Các nhà nghiên cứu cho biết kỹ thuật này cung cấp một phương pháp thực tế để tạo ra các cụm lớn nguyên tử bị vướng víu, những thành phần quan trọng làm cho đồng hồ nguyên tử chính xác hơn.

 “Bạn có thể lập luận rằng một photon đơn lẻ không thể thay đổi trạng thái của 3.000 nguyên tử, nhưng photon đơn lẻ này đã thực hiện được - nó tạo ra các mối tương quan mà bạn không có trước đó,” GS. Vladan Vuletic từ Khoa Vật Lý của MIT và là tác giả chính của bài báo, nói. “Chúng tôi về cơ bản đã mở ra một loại trạng thái vướng víu mới mà chúng tôi có thể thực hiện, nhưng có rất nhiều loại mới hơn cần được khám phá”.

 Vướng víu là một hiện tượng kỳ lạ: Theo lý thuyết, hai hoặc nhiều hạt có thể tương quan với nhau theo một cách mà bất kỳ thay đổi của một hạt sẽ đồng thời làm thay đổi hạt khác, không kể khoảng cách bao xa. Ví dụ, nếu một nguyên tử trong một cặp vướng bằng cách nào đó bị làm cho quay theo chiều kim đồng hồ, các nguyên tử khác sẽ ngay lập tức quay ngược chiều kim đồng hồ, mặc dù cả hai có thể cách xa nhau hàng ngàn dặm.

 Hiện tượng vướng víu, mà nhà vật lý Albert Einstein đã từng gọi là “hành động ma quái từ xa”, được mô tả không phải bởi các định luật vật lý cổ điển, mà bởi cơ học lượng tử, giải thích sự tương tác của các hạt ở cấp nano. Ở quy mô rất nhỏ như vậy, các hạt nhỏ như các nguyên tử được biết hành xử khác với vật chất ở quy mô lớn.

 Các nhà khoa học đã tìm cách làm vướng víu không chỉ các cặp, mà với số lượng lớn các nguyên tử; các cụm như vậy có thể là cơ sở cho các máy tính lượng tử mạnh và đồng hồ nguyên tử chính xác hơn. Đồng hồ nguyên tử chính xác là động cơ thúc đẩy nhóm Vuletic.

 Đồng hồ nguyên tử tốt nhất hiện nay dựa trên các dao động tự nhiên trong một đám mây nguyên tử bị mắc kẹt. Khi các nguyên tử dao động, chúng hoạt động như một con lắc, giữ thời gian ổn định. Một chùm laser trong đồng hồ, đi qua đám mây nguyên tử này, có thể phát hiện những dao động của các nguyên tử, cuối cùng xác định độ dài của một giây.

 “Đồng hồ hiện nay thực sự tuyệt vời,” Vuletic nói. “Chúng sẽ chậm hơn một phút nếu chúng chạy kể từ Big Bang - đó là sự ổn định của đồng hồ tốt nhất hiện có. Chúng tôi hy vọng sẽ có được độ chính xác cao hơn nữa”.

 Độ chính xác của đồng hồ nguyên tử được cải thiện khi ngày càng nhiều các nguyên tử dao động trong một đám mây và thông thường tỷ lệ thuận với căn bậc hai của số lượng nguyên tử: Ví dụ, một đồng với số nguyên tử nhiều hơn 9 lần sẽ chỉ chính xác gấp 3 lần. Nếu cùng các nguyên tử này bị vướng víu, độ chính xác của đồng hồ có thể tỷ lệ thuận với số nguyên tử - trong trường hợp này, chính xác gấp chín lần. Số lượng hạt bị vướng víu càng lớn, sau đó, việc xác định thời gian của đồng hồ nguyên tử càng chính xác hơn.

Các nhà khoa học cho đến nay đã có thể làm vướng víu các nhóm nguyên tử lớn, mặc dù hầu hết các nỗ lực chỉ tạo ra sự vướng víu giữa các cặp trong một nhóm. Chỉ có một nhóm nghiên cứu đã vướng víu thành công khoảng 100 nguyên tử, sự vướng víu lẫn nhau lớn nhất cho đến nay, và chỉ một phần nhỏ trong toàn bộ nhóm nguyên tử.

 Mới đây, Vuletic và các đồng nghiệp của ông đã tạo ra thành công sự vướng víu lẫn nhau giữa 3.000 nguyên tử, hầu như tất cả các nguyên tử trong nhóm, bằng ánh sáng laser rất yếu, xuống tới các xung chứa một photon đơn lẻ. Ánh sáng càng yếu càng tốt, Vuletic nói, vì nó ít có khả năng phá vỡ đám mây. “Hệ thống này vẫn còn ở trong trạng thái lượng tử tương đối sạch,” ông nói.

 Các nhà nghiên cứu đầu tiên làm lạnh một đám mây nguyên tử, sau đó bẫy chúng bằng bẫy laser, và gửi một xung laser yếu qua các đám mây. Sau đó, họ thiết lập một máy dò để tìm kiếm một photon cụ thể trong chùm tia này. Vuletic lý luận rằng nếu một photon đã đi qua đám mây nguyên tử mà không có sự cố, sự phân cực, hay hướng của dao động của nó, sẽ vẫn giữ nguyên. Tuy nhiên, nếu một photon tương tác với các nguyên tử, hướng của dao động của nó xoay chỉ một chút, một dấu hiệu cho thấy nó đã bị ảnh hưởng bởi lượng tử “tiếng ồn” trong toàn thể các nguyên tử quay, với tiếng ồn khác nhau về số lượng các nguyên tử quay theo chiều kim đồng hồ và ngược chiều kim đồng hồ.

 Sau đó, họ thiết lập một máy dò để tìm một photon cụ thể trong chùm tia này. Vuletic lý luận rằng nếu một photon đã đi qua đám mây nguyên tử này mà không có sự kiện nào, phân cực của nó, hoặc hướng của dao động, sẽ vẫn như cũ. Tuy nhiên, nếu một photon đã tương tác với các nguyên tử, phân cực của nó quay chỉ một chút - một dấu hiệu cho thấy nó đã bị ảnh hưởng bởi “tiếng ồn” lượng tử trong toàn thể các nguyên tử quay, với tiếng ồn là sự chênh lệch về số lượng các nguyên tử quay chiều kim đồng hồ và ngược chiều kim đồng hồ.

 “Thỉnh thoáng, chúng tôi quan sát một photon đi ra có điện trường dao động theo phương vuông góc với phương của các photon tới”, Vuletic nói. “Khi chúng tôi phát hiện một photon như vậy, chúng tôi biết rằng điều này phải được gây ra bởi tập hợp nguyên tử này và đáng ngạc nhiên là phát hiện này tạo ra một trạng thái vướng các nguyên tử này”.

 Eugene Polzik, giáo sư về quang học lượng tử tại Viện Niels Bohr ở Copenhagen, xem việc làm vướng víu lẫn nhau các nguyên tử một cách thành công của nhóm nghiên cứu là “một thành tựu đáng chú ý”.

 “Kỹ thuật này mở rộng đáng kể các tùy chọn để tạo ra và hoạt động ở các trạng thái vướng víu phi cổ điển của các tập hợp nguyên tử”, Polzik, người không tham gia nghiên cứu cho biết. “Như vậy, nó có thể hữu ích cho đồng hồ, cảm biến lượng tử từ trường và thông tin liên lạc lượng tử”.

 Vuletic và đồng nghiệp của ông hiện đang sử dụng kỹ thuật phát hiện đơn photon này để chế tạo một đồng hồ nguyên tử hiện đại mà họ hy vọng sẽ khắc phục được những gì được gọi là “giới hạn lượng tử chuẩn” - một giới hạn cho phép các phép đo chính xác có thể thực hiện được trong hệ thống lượng tử. Vuletic nói thiết lập hiện nay của nhóm có thể là một bước tiến hướng tới sự phát triển các trạng thái vướng thậm chí còn phức tạp hơn.

“Trạng thái đặc biệt này có thể cải thiện đồng hồ nguyên tử theo hệ số hai,” Vuletic nói. “Chúng tôi đang phấn đấu hướng tới tạo ra các trạng thái thậm chí còn phức tạp hơn mà có thể đi xa hơn”.