Ghi hình trực tiếp hiện tượng rối lượng tử: tái tạo hàm sóng của cặp photon

Không còn là ý tưởng: quan sát rối lượng tử theo thời gian thực

Ý tưởng rằng hai hạt ánh sáng có thể liên kết trạng thái với nhau dù ở xa nhau từng là một trong những khái niệm khó nắm bắt nhất của cơ học lượng tử. Nhóm nghiên cứu quốc tế vừa công bố một bước tiến: họ đã tái tạo được hình ảnh hàm sóng của một cặp photon rối lượng tử theo thời gian thực, nghĩa là có thể ghi lại “vũ điệu” tương tác giữa hai photon khi nó diễn ra.

Hàm sóng là gì và vì sao việc dựng ảnh nó quan trọng?

Hàm sóng là đại diện toán học mô tả trạng thái lượng tử của một hệ; từ nó, các nhà vật lý có thể tiên đoán kết quả các phép đo như vị trí hay vận tốc. Với các hệ lượng tử phức tạp — chẳng hạn một tập hợp nhiều qubit trong máy tính lượng tử — nắm bắt chính xác hàm sóng là điều then chốt để hiểu và khai thác các tính chất lượng tử. Do đó, phương pháp cho phép nhìn thấy hàm sóng mở ra khả năng kiểm tra và tối ưu các hệ thống lượng tử nhanh hơn và trực quan hơn.

Thách thức của chụp cắt lớp trạng thái lượng tử

Truyền thống, để thu được trạng thái lượng tử người ta phải thực hiện rất nhiều phép đo khác nhau; số phép đo tăng theo độ phức tạp của hệ. Quy trình này được gọi là chụp cắt lớp trạng thái lượng tử (quantum state tomography) và có thể tốn nhiều thời gian — nhóm nghiên cứu trước đây từng cần đến hàng giờ hoặc thậm chí vài ngày để hoàn tất cho một cặp photon trong hệ phức tạp. Ngoài thời lượng, kết quả còn dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu và các sai số đo đạc.

Ý tưởng kỹ thuật: vay mượn khái niệm từ holography số

Trong quang học cổ điển, kỹ thuật holography số sử dụng thông tin giao thoa của ánh sáng tán xạ để dựng hình 3D từ một ảnh thu được. Nhóm nghiên cứu chuyển hóa ý tưởng này sang miền lượng tử: thay vì xây dựng từ nhiều phép đo tách rời, họ ghi nhận các mẫu giao thoa tạo ra từ quá trình đo vị trí của hai photon và dùng những ảnh đó để suy ra hàm sóng chung.

Về mặt thực nghiệm, cách làm yêu cầu chồng một trạng thái lượng tử đã biết lên hệ cần đo, rồi quan sát các điểm trùng hợp phát hiện hai photon cùng lúc — được gọi là “coincidence image”. Những ảnh này phản ánh cấu trúc giao thoa đặc trưng của trạng thái rối. Điểm then chốt là hệ thống ghi ảnh phải đủ nhạy và có độ phân giải thời gian rất cao để bắt được pixel tại thang nano-giây.

Dựng lại hình ảnh của cặp hạt photon rối lượng tử – (Ảnh: Nature).

Ai đứng sau và cách họ tiến hành

Công trình là kết quả hợp tác giữa các nhóm tại Đại học Ottawa và Đại học Sapienza. Ebrahim Karimi là một trong những nhà nghiên cứu dẫn dắt dự án, hoạt động liên quan đến viện nghiên cứu NexQT ở Ottawa và khoa Khoa học. Giáo sư Alessio D’Errico (Đại học Ottawa) là đồng tác giả, đóng góp vào triển khai thực nghiệm và phân tích dữ liệu.

Nhóm thực hiện phương pháp ghi hình trùng hợp cho hai photon, chồng trạng thái đã khảo sát lên hệ và thu các mẫu giao thoa qua một camera đặc biệt có khả năng ghi pixel ở độ phân giải thời gian rất nhỏ. Từ những mẫu này họ suy luận hàm sóng của cặp photon — tức là tái tạo trạng thái lượng tử chung của hai hạt.

Ưu thế so với những phương pháp trước

Theo mô tả của các tác giả, kỹ thuật mới giảm đáng kể thời gian cần cho quá trình tái tạo trạng thái. Thay vì phải mất nhiều giờ hay vài ngày như trong một số nghiên cứu trước, phương pháp này có thể hoàn thiện việc đo trong một khoảng thời gian ngắn hơn, đôi khi chỉ cần vài phút hoặc vài giây. Một điểm khác biệt quan trọng là thời gian thu kết quả ít bị ảnh hưởng bởi độ phức tạp của hệ, nghĩa là phương pháp mở rộng tốt hơn khi đối mặt với hệ có nhiều trạng thái lượng tử liên đới.

Ý nghĩa ứng dụng với công nghệ lượng tử

Khi khả năng xác định trạng thái lượng tử nhanh và trực quan hơn, tiến trình phát triển các kỹ thuật trong lĩnh vực tính toán lượng tử, liên lạc lượng tử hay đo lường lượng tử đều có thể được thúc đẩy. Việc có thể dựng lại hàm sóng của các hệ liên đới giúp kiểm chứng thiết kế, tinh chỉnh cấu trúc trạng thái và phát triển các giao thức xử lý lỗi hay truyền thông lượng tử hiệu quả hơn.

Công nghệ càng phát triển, khả năng tạo hình 3D càng tiên tiến – (Ảnh: Internet).

Giới hạn và những điều cần cân nhắc

Dù có nhiều lợi thế, bất kỳ phương pháp mới nào cũng có giới hạn thực nghiệm. Kết quả phụ thuộc vào chất lượng hệ thống thu ảnh, khả năng kiểm soát trạng thái chồng và mức nhiễu trong phép đo. Các tác giả cũng nhấn mạnh rằng phương pháp giúp rút ngắn thời gian chụp nhưng yêu cầu thiết bị ghi nhận trùng hợp có hiệu năng cao.

Xu hướng tiếp theo và ý nghĩa cho nghiên cứu

Bước tiến này không chỉ phục vụ mục tiêu ghi nhận trạng thái hai photon mà còn gợi ý hướng mở rộng cho các hệ nhiều hạt hơn. Nếu kỹ thuật có thể thích ứng với số lượng hạt lớn hơn mà vẫn giữ được ưu thế về thời gian và độ chính xác, nó sẽ trở thành công cụ hữu ích cho việc kiểm tra và phát triển các nền tảng lượng tử quy mô hơn.

Câu hỏi thường gặp

1. Chụp cắt lớp lượng tử khác gì với chụp ảnh thông thường?

Chụp cắt lớp lượng tử yêu cầu các phép đo phù hợp với tính chất rời rạc và giao thoa của trạng thái lượng tử để suy ra hàm sóng, còn chụp ảnh thông thường ghi lại ánh sáng phản xạ/tán xạ để tái tạo hình dạng vật thể.

2. Tại sao phải tái tạo hàm sóng của cặp photon?

Biết được hàm sóng cho phép hiểu rõ trạng thái lượng tử của hệ, từ đó dự đoán kết quả đo và kiểm tra các thiết kế trong ứng dụng lượng tử như máy tính hay kênh liên lạc lượng tử.

3. Phương pháp này có áp dụng cho nhiều photon hơn được không?

Ý tưởng phương pháp có tiềm năng mở rộng, nhưng hiệu quả khi tăng số photon còn phụ thuộc vào khả năng thiết bị và độ nhạy của phép đo; đây là hướng cần thêm thử nghiệm.

4. Nghiên cứu được công bố ở đâu?

Kết quả công bố trên tạp chí Nature Photonics.

Kết luận

Việc tái tạo hàm sóng của hai photon theo thời gian thực là một mốc đáng chú ý trên con đường đưa các công cụ lượng tử từ phòng thí nghiệm tới ứng dụng thực tế. Bằng cách kết hợp ý tưởng từ holography số và các hệ ghi nhận trùng hợp có độ phân giải thời gian cao, nhóm nghiên cứu đã chứng minh một phương án nhanh hơn và ít phụ thuộc vào độ phức tạp hệ thống. Dù còn nhiều thách thức để áp dụng trên quy mô lớn hơn, kết quả này góp phần mở rộng bộ công cụ thực nghiệm cho vật lý lượng tử và công nghệ lượng tử trong tương lai.