Giải Nobel Vật lý 2012 cho sự nhìn trộm con mèo Schrödinger
Serge Haroche và David J. Wineland độc lập nhau đã phát minh và phát triển những phương pháp mang tính đột phá để đo và xử lí từng hạt một trong khi vẫn giữ nguyên bản chất cơ lượng tử của chúng, theo những cách mà trước đó người ta nghĩ là không thể nào thu được.
Haroche và Wineland đã mở ra một kỉ nguyên thực nghiệm mới cho ngành vật lí lượng tử với việc chứng minh sự quan sát trực tiếp từng hệ lượng tử mà không phá hỏng chúng. Qua những phương pháp thí nghiệm khéo léo của họ, họ đã làm chủ việc đo và điều khiển những trạng thái lượng tử rất mong manh, cho phép lĩnh vực nghiên cứu của họ tiến những bước rất mới hướng đến chế tạo ra một loại máy vi tính mới siêu nhanh, hoạt động dựa trên vật lí lượng tử. Những phương pháp này còn đưa đến việc chế tạo những đồng hồ cực kì chính xác có thể trở thành cơ sở trong tương lai của một chuẩn thời gian mới, với độ chính xác gấp 100 bậc độ lớn so với đồng hồ caesium ngày nay.
Với mỗi hạt ánh sáng hay hạt vật chất, các định luật vật lí cổ điển không còn áp dụng được và vật lí lượng tử chiếm ưu thế. Nhưng mỗi hạt không dễ gì tách ra khỏi môi trường xung quanh của chúng và hễ khi chúng tương tác với thế giới bên ngoài chúng sẽ mất đi những tính chất cơ lượng tử bí ẩn của chúng. Như vậy, nhiều hiện tượng có vẻ kì lạ mà cơ học lượng tử dự đoán không thể nào được quan sát trực tiếp, và các nhà nghiên cứu chỉ có thể tiến hành những “thí nghiệm tưởng tượng” trên nguyên tắc có thể biểu hiện những hiện tượng kì lạ này.
Cả hai người đoạt giải Nobel Vật lí năm nay đều làm việc trong ngành quang học lượng tử chuyên nghiên cứu sự tương tác cơ bản giữa ánh sáng và vật chất, một lĩnh vực đã chứng kiến sự tiến bộ to lớn kể từ giữa thập niên 1980. Các phương pháp của họ có nhiều điểm chung. David Wineland bẫy điện các nguyên tử tích điện, hay ion, điều khiển và đo chúng bằng ánh sáng, hay photon. Serge Haroche thì tiếp cận theo hướng ngược lại: ông điều khiển và đo các photon, hay hạt ánh sáng, bị bẫy bằng cách gửi các nguyên tử qua một cái bẫy.
Điều khiển từng ion trong bẫy
Trong phòng thí nghiệm của David Wineland ở Boulder, Colorado, các nguyên tử tích điện, hay ion, được giữ bên trong một cái bẫy bằng cách dùng điện trường bao quanh chúng. Các hạt được tách li khỏi nhiệt và bức xạ trong môi trường của chúng bằng cách thực hiện các thí nghiệm trong chân không ở những nhiệt độ cực thấp.
Một trong những bí mật ẩn sau đột phá của Wineland là sự tinh thông nghệ thuật sử dụng các chùm laser và tạo ra các xung laser. Một laser được sử dụng để khử chuyển động nhiệt của ion ở trong bẫy, đưa ion đó vào trạng thái năng lượng thấp nhất của nó và từ đó cho phép nghiên cứu các hiện tượng lượng tử với ion bị bẫy đó. Một xung laser được điều khiển cẩn thận có thể dùng để đưa ion đó vào một trạng thái chồng chất, đó là một sự tồn tại đồng thời của hai trạng thái khác nhau rạch ròi. Ví dụ, có thể làm cho ion đó chiếm giữ đồng thời hai mức năng lượng khác nhau. Nó bắt đầu trong một trạng thái năng lượng thấp nhất và xung laser chỉ thúc ion đó tiến nửa đường lên một mức năng lượng cao hơn sao cho nó ở lưng chừng giữa hai mức, trong một sự chồng chất của những trạng thái năng lượng, với xác suất có kết cục bằng nhau cho cả hai mức. Theo cách này, người ta có thể nghiên cứu sự chồng chất lượng tử của những trạng thái năng lượng của ion đó.
Hình 2. Trong phòng thí nghiệm của David Wineland ở Boulder, Colorado, các nguyên tử tích điện, hay ion, được giữ bên trong một cái bẫy bằng cách dùng điện trường bao quanh chúng. Một trong những bí mật ẩn sau đột phá của Wineland là sự tinh thông nghệ thuật sử dụng các chùm laser và tạo ra các xung laser. Một laser được sử dụng để đưa ion vào trạng thái năng lượng thấp nhất của nó và từ đó cho phép nghiên cứu các hiện tượng lượng tử với ion bị bẫy đó.
Điều khiển từng photon trong bẫy
Serge Haroche và nhóm nghiên cứu của ông sử dụng một phương pháp khác để làm sáng tỏ những bí ẩn của thế giới lượng tử. Trong phòng thí nghiệm ở Paris, các photon vi sóng phản xạ tới lui bên trong một hộp cộng hưởng nhỏ nằm giữa hai cái gương cách nhau khoảng 3 cm. Hai cái gương được làm bằng vật liệu siêu dẫn và được làm lạnh xuống đến nhiệt độ gần không độ tuyệt đối. Hai cái gương siêu dẫn này thuộc loại sáng chói nhất trên thế giới. Chúng phản chiếu đến mức một photon độc thân có thể bật tới lui bên trong hộp cộng hưởng trong gần một phần mười của một giây trước khi bị hấp thụ mất. Thời gian sống dài kỉ lục như thế này đồng nghĩa là photon đó đi được quãng đường tới 40.000 km, tương đương khoảng một vòng quanh Trái đất.
Trong thời gian sống dài hơi của nó, nhiều thao tác lượng tử có thể được thực hiện với photon bị bẫy đó. Haroche sử dụng những nguyên tử được kích thích đặc biệt, gọi là các nguyên tử Rydberg (mang tên nhà vật lí người Thụy Điển Johannes Rydberg) để vừa điều khiển vừa đo photon vi sóng trong hộp cộng hưởng. Một nguyên tử Rydberg có bán kính khoảng 125 nm, lớn gấp khoảng 1.000 lần so với những nguyên tử tiêu biểu. Những nguyên tử Rydberg hình vòng khuyên khổng lồ này được gửi từng hạt một vào trong hộp cộng hưởng ở một tốc độ được chọn lựa cẩn thận, sao cho sự tương tác với photon vi sóng xảy ra theo một kiểu được điều khiển tốt.
Nguyên tử Rydberg đó chuyển động qua lại và thoát ra khỏi hộp cộng hưởng, để lại photon vi sóng. Nhưng sự tương tác giữa photon và nguyên tử tạo ra một sự biến đổi pha của trạng thái lượng tử của nguyên tử đó: nếu bạn nghĩ trạng thái lượng tử của nguyên tử đó ở dạng sóng, thì đỉnh sóng và hõm sóng bị lệch đi. Sự lệch pha này có thể đo được khi nguyên tử thoát ra khỏi hộp cộng hưởng, nhờ đó tiết lộ sự có mặt hay vắng mặt của một photon bên trong hộp. Không có photon nào thì không có sự lệch pha. Do đó, Haroche có thể đo được một photon độc thân mà không làm hỏng nó.
Với một phương pháp tương tự, Haroche và nhóm của ông đã có thể đếm số photon bên trong hộp, giống như bọn trẻ đếm số viên bi đựng trong bát. Thủ thuật này nghe có vẻ dễ nhưng nó đòi hỏi sự khéo léo cực kì và kĩ năng tốt bởi vì các photon, không giống như những viên bi bình thường, bị hủy mất tức thời khi tiếp xúc với thế giới bên ngoài. Xây dựng trên các phương pháp đếm số photon của ông, Haroche và các cộng sự đã nghĩ ra những phương pháp theo dõi trực tiếp sự diễn tiến từng bước một của một trạng thái lượng tử.
Hình 3. Trong phòng thí nghiệm của Serge Haroche ở Paris, trong chân không và ở một nhiệt độ gần không độ tuyệt đối, các photon vi sóng phản xạ tới lui bên trong một hộp cộng hưởng nhỏ nằm giữa hai cái gương. Hai cái gương đó phản chiếu đến mức một photon sống thọ đến một phần mười của một giây trước khi bị hấp thụ. Trong quãng thời gian sống dài hơi này, nhiều thao tác lượng tử có thể được thực hiện với photon bị bẫy đó mà không làm hỏng nó.
Những nghịch lí của cơ học lượng tử
Cơ học lượng tử mô tả một thế giới vi mô không nhìn thấy trước mắt trần, nơi các sự kiện xảy ra trái với những trông đợi và kinh nghiệm của chúng ta với những hiện tượng vật lí trong thế giới vĩ mô, cổ điển. Vật lí học trong thế giới lượng tử có một sự bất định hay ngẫu nhiên cố hữu nào đó đi cùng với nó. Một ví dụ của loại hành trạng trái lạ này là sự chồng chất, trong đó một hạt lượng tử có thể ở một vài trạng thái khác nhau đồng thời. Chúng ta thường không nghĩ tới một viên bị vừa ở “chỗ này” vừa ở “chỗ kia” cùng một lúc, nhưng một trường hợp như vậy đó là một viên bi lượng tử. Trạng thái chồng chất của viên bi này cho chúng ta biết chính xác xác suất viên bi ở chỗ này hay ở chỗ kia là bao nhiêu, nếu chúng ta đo chính xác xem nó ở đâu.
Tại sao chúng ta chưa từng nhận ra những phương diện kì lạ này của thế giới của chúng ta? Tại sao chúng ta không thể quan sát một sự chồng chất của viên bi lượng tử trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta? Nhà vật lí người Áo và là người giành Giải Nobel (Vật lí năm 1933) Erwin Schrödinger đã đương đầu với câu hỏi này. Giống như nhiều nhà tiên phong khác của cơ học lượng tử, ông đã chật vật tìm hiểu và lí giải những hàm ý của nó. Đến năm 1952, ông viết: “Chúng ta chưa từng làm thí nghiệm với chỉ một electron hay một nguyên tử hay một phân tử (nhỏ). Trong các thí nghiệm tưởng tượng, thỉnh thoảng chúng ta giả sử chúng ta làm như vậy; nhưng giả sử này luôn đưa đến những hệ quả buồn cười...”
Để minh họa cho những hệ quả vô lí của sự hoán chuyển giữa thế giới vi mô của vật lí lượng tử và thế giới vĩ mô hàng ngày của chúng ta, Schrödinger đã mô tả một thí nghiệm tưởng tượng với một con mèo: con mèo Schrödinger hoàn toàn tách li với thế giới bên ngoài bên trong một cái hộp. Cái hộp còn chứa một lọ chất độc cyanide chỉ mở nắp sau sự phân rã của một nguyên tử phóng xạ nào đó, cũng ở bên trong hộp. Sự phân rã phóng xạ bị chi phối bởi các quy luật của cơ học lượng tử, theo đó vật liệu phóng xạ ở trong một trạng thái chồng chất vừa đã phân rã vừa chưa phân rã. Vì thế, con mèo cũng phải ở trong một trạng thái chồng chất vừa chết vừa sống. Bây giờ nếu bạn nhìn vào bên trong hộp, bạn có nguy cơ giết chết con mèo bởi vì sự chồng chất lượng tử nhạy với sự tương tác với môi trường đến mức một nỗ lực cho dù là nhỏ nhất để quan sát con mèo sẽ lập tức làm “co sụp” “trạng thái-con mèo” đến một trong hai kết cục có thể có – hoặc sống hoặc chết. Theo quan điểm của Schrödinger, thì nghiệm tưởng tượng này đưa đến một kết luận vô lí, và người ta đồn rằng sau này ông đã tạ lỗi vì đã đưa thêm một gút thắt vào mớ lộn xộn lượng tử học.
Cả hai người giành giải Nobel 2012 đều có thể lập bản đồ trạng thái-con mèo lượng tử khi nó tiếp xúc với thế giới bên ngoài. Họ đã nghĩ ra những thí nghiệm tài tình và chứng minh cụ thể hoạt động đo làm cho trạng thái lượng tử co sụp và mất đi đặc tính chồng chất của nó như thế nào. Thay cho con mèo Schrödinger, Haroche và Wineland bẫy các hạt lượng tử và đưa chúng vào những trạng thái chồng chất giống như con mèo. Những hạt lượng tử này không thật sự vĩ mô như một con mèo, nhưng chúng vẫn khá lớn khi xét theo các chuẩn lượng tử.
Hình 4. Con mèo của Schrödinger. Vào năm 1935, nhà vật lí và người đoạt giải Nobel người Áo Erwin Schrödinger đã mô tả một thí nghiệm tưởng tượng với một con mèo trong một cái hộp để minh họa cho những hệ quả vô lí của sự hoán chuyển giữa thế giới vi mô của vật lí lượng tử và thế giới vĩ mô hàng ngày của chúng ta. Một hệ lượng tử, các hạt, các nguyên tử và vật chất khác của thế giới vi mô, có thể ở trong hai trạng thái đồng thời, theo các nhà vật lí gọi là sự chồng chất của các trạng thái. Trong thí nghiệm tưởng tượng của Schrödinger, con mèo ở trong hộp ở trong một sự chồng chất, và như thế nó vừa sống vừa chết. Bây giờ nếu bạn nhìn vào bên trong hộp, bạn có nguy cơ giết chết con mèo bởi vì sự chồng chất lượng tử nhạy với sự tương tác với môi trường đến mức một nỗ lực cho dù là nhỏ nhất để quan sát con mèo sẽ lập tức làm “co sụp” “trạng thái-con mèo” đến một trong hai kết cục có thể có – hoặc sống hoặc chết.
Bên trong hộp cộng hưởng của Haroche, các photon vi sóng được đưa vào những trạng thái kiểu con mèo với pha ngược nhau đồng thời, giống như một cái đồng hồ có kim vừa quay theo chiều kim đồng hồ vừa quay ngược chiều kim đồng hồ. Trường vi sóng bên trong hộp cộng hưởng khi đó được khảo sát bằng các nguyên tử Rudberg. Kết quả là một hiệu ứng lượng tử khó hiểu nữa gọi là sự vướng víu. Sự vướng víu cũng được mô tả bởi Erwin Schrödinger và có thể xảy ra giữa hai hoặc nhiều hạt lượng tử không có sự tiếp xúc trực tiếp nhưng vẫn có thể đọc và ảnh hưởng đến tính chất của nhau. Sự vướng víu của trường vi sóng và các nguyên tử Rydberg đã cho phép Haroche lập bản đồ sự sống và chết của trạng thái kiểu con mèo bên trong hộp cộng hưởng của ông, theo dõi nó từng bước một, từng nguyên tử một, khi nó trải qua một sự chuyển tiếp từ sự chồng chất lượng tử của các trạng thái sang một trạng thái rạch ròi của vật lí cổ điển.
Hướng đến một cuộc cách mạng máy tính mới
Một ứng dụng khả dĩ của bẫy ion mà nhiều nhà khoa học đã mơ tới là máy vi tính lượng tử. Trong các máy vi tính cổ điển ngày nay, đơn vị nhỏ nhất của thông tin là một bit nhận giá trị hoặc 1 hoặc 0. Tuy nhiên, trong một máy vi tính lượng tử, đơn vị cơ bản của thông tin – một bit lượng tử, hay qubit – có thể là 1 và 0 đồng thời. Hai bit lượng tử có thể đồng thời nhận bốn giá trị – 00, 01, 10, và 11 – và thêm mỗi qubit tăng gấp đôi lượng trạng thái có thể có. Với n bit lượng tử có 2n trạng thái có thể có, và một máy vi tính lượng tử chỉ với 300 qubit có thể giữ 2300 giá trị đồng thời, còn nhiều hơn cả số nguyên tử trong vũ trụ nữa.
Nhóm của Wineland là nhóm đầu tiên trên thế giới chứng minh một phép tính lượng tử với hai bit lượng tử. Vì các hoạt động điều khiển đã thu được với vài ba qubit, cho nên trên nguyên tắc không có lí do gì để tin rằng chẳng thể nào thu được những phép tính như vậy với nhiều qubit hơn. Tuy nhiên, việc chế tạo một máy vi tính lượng tử như thế là một thách thức thực tiễn hết sức to lớn. Người ta phải thỏa mãn hai yêu cầu đối ngược nhau: các qubit cần tách li thỏa đáng khỏi môi trường của chúng để không phá hỏng những tính chất lượng tử của chúng, nhưng chúng cũng phải có thể giao tiếp với thế giới bên ngoài để truyền đạt những kết quả tính toán của chúng. Có lẽ máy vi tính lượng tử sẽ được chế tạo trong thế kỉ này. Nếu vậy, nó sẽ làm thay đổi cuộc sống của chúng ta một cách triệt để giống như máy vi tính cổ điển đã làm thay đổi cuộc sống trong thế kỉ vừa qua.
Những đồng hồ chính xác mới
David Wineland và đội nghiên cứu của ông còn sử dụng các ion trong một cái bẫy để chế tạo một cái đồng hồ chính xác gấp một trăm lần các đồng hồ nguyên tử gốc caesium hiện đang là chuẩn đo thời gian của chúng ta. Thời gian được giữ nhịp bằng cách thiết lập, hay đồng bộ hóa tất cả các đồng hồ dựa trên một chuẩn. Đồng hồ caesium hoạt động trong vùng vi sóng còn đồng hồ ion của Wineland sử dụng ánh sáng nhìn thấy – vì thế mà có tên gọi đồng hồ quang học. Một cái đồng hồ quang học có thể chỉ gồm một hoặc hai ion trong một cái bẫy. Với hai ion, một ion được dùng làm đồng hồ và ion kia được dùng để đọc đồng hồ mà không phá hỏng trạng thái của nó, hay làm cho nó lỡ nhịp. Độ chính xác của một đồng hồ quang học là cao hơn một phần 1017, nghĩa là nếu người ta đã bắt đầu đo thời gian lúc vũ trụ ra đời trong Vụ Nổ Lớn hồi khoảng 14 tỉ năm trước, thì ngày nay cái đồng hồ quang học đó chỉ mới chạy sai có khoảng 5 giây.
Hình 5. Đồng hồ quang học. Một ứng dụng thực tế của các ion trong một cái bẫy là chế tạo một cái đồng hồ chính xác gấp một trăm lần các đồng hồ nguyên tử gốc caesium hiện đang là chuẩn đo thời gian của chúng ta. Với hai ion, một ion được dùng làm đồng hồ và ion kia được dùng để đọc đồng hồ mà không phá hỏng trạng thái của nó, hay làm cho nó lỡ nhịp.
Với sự đo thời gian chính xác như thế, một số hiện tượng cực kì tinh vi và đẹp đẽ của tự nhiên đã được quan sát, ví dụ như các biến thiên trong dòng chảy của thời gian, hay sự biến thiên nhỏ của lực hấp dẫn, cấu trúc của không-thời gian. Theo thuyết tương đối Einstein, thời gian bị ảnh hưởng bởi sự chuyển động và lực hấp dẫn. Tốc độ càng cao và lực hấp dẫn càng mạnh thì thời gian trôi càng chậm. Chúng ta có lẽ không nhận ra những hiệu ứng này, nhưng thật ra chúng đã trở thành một bộ phận của cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Khi dò đường bằng thiết bị định vị GPS, chúng ta dựa trên những tín hiệu thời gian phát từ vệ tinh với các đồng hồ được chế tạo chính xác, bởi vì lực hấp dẫn ở cao vài trăm kilomet trên bầu trời có phần yếu hơn. Với một đồng hồ quang học, ta có thể đo sự chênh lệch sự trôi qua của thời gian khi tốc độ của các đồng hồ biến thiên chưa tới 10 m/s, hay khi lực hấp dẫn bị biến đổi do hệ quả của sự chênh lệch độ cao của chỉ 30 cm.
Nguồn: thuvienvatly.com
