Lần đầu tiên chụp được ảnh vướng víu lượng tử giữa hai photon

Lần đầu tiên chụp đã được ảnh vướng víu lượng tử giữa hai photon


Thiện Tâm •Thứ năm, 18/07/2019


Chia sẻ FBChia sẻ TwitterBình luậnEinstein lúc còn sống luôn không tin rằng vướng víu lượng tử thực sự tồn tại. Tuy vậy, các chuyên gia ở Scotland đã lần đầu tiên chụp ảnh được hiện tượng mà Einstein gọi chính là “tác động ma quái từ xa” này.chụp ảnh đã được sự vướng víu lượng tử giữa hai photon (Ảnh: đại học Glasgow)Vướng víu lượng tử hay là rối lượng tử (quantum entanglement) là một hiệu ứng trong cơ học lượng tử trong đó trạng thái lượng tử của hai hay nhiều vi hạt đồng thời có liên hệ với nhau, dù cho chúng có nằm cách xa nhau tới mức nào. Ví dụ, có thể gây nên hai vi hạt sao cho nếu quan sát thấy spin (mô-men động lượng) của hạt thứ số 1 quay xuống dưới, thì đồng thời spin của hạt kia sẽ chắc chắn quay lên trên, hoặc ngược lại; dù không tiên đoán trước kết quả phép đo ở trên vật thứ nhất. Điều này nghĩa là phép đo thực hiện ở trên hạt này sẽ tác động trực tiếp đến trạng thái lượng tử trên hạt có vướng víu lượng tử với nó.Sự vướng víu lượng tử chính là một trong những khái niệm khó hiểu số 1 trong cơ học lượng tử, nó dẫn đến khả năng rằng sự liên hệ giữa hai hạt có vướng víu lượng tử có tốc độ nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Điều này khiến cho chuyên gia vĩ đại nhất của thế kỷ 20, Einstein trở nên bối rối. Theo thuyết tương đối của ông thì không có vật thể nào có thể di chuyển với tốc độ nhanh hơn ánh sáng. Chính vì vậy, Einstein gọi hiện tượng vướng víu lượng tử chính là “tác động ma quái đến từ xa” (Spooky action at a distance). Một trong những người sáng lập cơ học lượng tử, Schrödinger, cũng chia sẻ cảm giác tương tự khi ông lần đầu tiên sử dụng thuật ngữ “vướng víu”.chụp ảnh được sự vướng víu lượng tử giữa hai photon Hình 1: Alice , Bob mang hai vi hạt có vướng víu lượng tử với nhau , và trạng thái mỗi hạt trước khi đo là chồng chập (vừa chính là 0, vừa chính là 1). Khi tiến hành đo trạng thái hạt của bất kỳ Alice hay là Bob thì spin của nó cũng sẽ là 0 hoặc 1, , spin hạt của người còn lại cũng sẽ chắc chắn ngược lại (là 1 hoặc 0) nếu cũng được đo lường tức thời (ảnh: sciencemag.org)>> Dịch chuyển tức thời: Vật chất có thể di chuyển nhanh hơn ánh sáng?Ngày nay, khoa học đã chứng minh được rằng vướng víu lượng tử là có thật, thậm chí nó đã được ứng dụng thành công trong lĩnh vực máy tính lượng tử. Tuy vậy, không có ai có thể chụp ảnh được hiện tượng vật lý kỳ lạ này, cho đến nay.Gần đây các chuyên gia từ Đại học Glasgow, Scotland cuối cùng đã gây ra một bước đột phá trong lĩnh vực này. Họ đã ghi lại đã được những khoảnh khắc ngắn ngủi của hai photon tương tác , chia sẻ trạng thái vật lý với nhau. Sau nhiều năm thực hiện việc miệt mài, các nhà khoa học cuối cùng đã thành công trong việc chụp đã được bức ảnh thực tế về sự vướng víu lượng tử đầu tiên ở trên thế giới. Báo cáo cáo khoa học của thí nghiệm này được đăng trên tạp chí Khoa học Tiên Tiến, ngày 12/7/2019.chụp ảnh được sự vướng víu lượng tử giữa hai photon Hình 2: ảnh chụp đã được đến từ máy ảnh trong thí nghiệm cho thấy sự vướng víu của 2 photon (ảnh: advances.sciencemag.org)Bức ảnh đặc biệt phía trên (hình 2) nhận thấy sự vướng víu giữa hai photon. Nếu nhìn qua bạn có thể cũng sẽ thấy chưa có gì đáng ngạc nhiên, nhưng nó chính là hình ảnh lần đầu tiên con người nhìn thấy sự vướng víu giữa hai vi hạt một cách thực sự. Phần phía bên phải (phần B) mô tả pha của photon số 2 được thay đổi 0 độ, 45 độ, 135 độ, 90 độ so với pha ban đầu trong thí nghiệm. Phần bên trái (phần A) mô tả chính là ảnh chụp đã được của “vòng tròn có 2 chỗ khuyết” chính là tập hợp bởi các điểm sáng hiển thị ở trên máy ảnh của thí nghiệm. Mỗi “vòng tròn” được ghép bởi 2 “nửa vòng tròn”, tương ứng với hình ảnh ở trên camera của 2 photon có vướng víu lượng tử với nhau. Vị trí 2 chỗ khuyết trên mỗi vòng tròn tương ứng với sự thay đổi về pha của 2 photon. Mỗi khi 1 photon (photon số 2) đã được điều chỉnh pha thì pha của photon còn lại (photon số 1) cũng sẽ tức thời tự động điều chỉnh theo mà chưa có bất cứ tác động nào của con người, khiến cho hình ảnh chụp được ở trên camera luôn tạo thành “vòng tròn”.Hình 2 tương tự như trường hợp khi chúng ta cấp 2 tín hiệu dao động hình Sin cho 2 kênh X, Y (quét màn hình theo chiều ngang , quét màn hình theo chiều dọc) của một máy hiện sóng (oscilloscope), tuỳ theo tần số, biên độ, pha của tín hiệu trên mỗi kênh mà nó cũng sẽ tạo ở trên màn hình máy hiện sóng các hình ảnh tổng hợp khác nhau. Hình 3 dưới đây mô tả 2 tín hiệu cùng tần số, cùng biên độ và lệch pha 90 độ sẽ gây ra hình tròn trên màn hình máy hiện sóng (bên phải), còn 2 tín hiệu đồng pha cũng sẽ tạo thành 1 đường thẳng (bên trái), tín hiệu lệch pha 45 độ cũng sẽ cho hình ellipse (giữa). Hình ảnh 2 photon vướng víu lượng tử được chụp lại trong thí nghiệm cũng có thể đã được hiểu theo cách tương tự rằng photon 1 luôn tự điều chỉnh pha để 2 photon vướng víu luôn lệch pha nhau 90 độ cho dù pha của photon 2 được điều chỉnh thế nào đi nữa.Hình 3: hình ảnh trên máy hiện sóng (oscilloscope) khi đã được cấp 2 tín hiệu hình Sin cùng tần số, cùng biên độ , các pha khác nhau (ảnh: Internet)Tiến sĩ Paul-Antoine Moreau của Trường Vật lý , Thiên văn học tại Đại học Glasgow, người đứng đầu nhóm tác giả của báo cáo thí nghiệm, nói với BBC rằng hình ảnh của thí nghiệm chính là “một minh triệu chứng đẹp đẽ cho một thuộc tính của tự nhiên”. “Đây là một kết quả thú vị, nó có thể đã được sử dụng để thúc đẩy lĩnh vực điện toán lượng tử mới nổi”, ông nói thêm.>> Máy tính lượng tử là gì và vì sao nó có khả năng tính toán siêu đẳng?


Để chụp bức ảnh đáng kinh ngạc này, Tiến sĩ Moreau , và một nhóm các nhà vật lý đã tạo ra một thí nghiệm phức tạp:


Cặp photon vướng víu đã được tạo ra bởi tinh thể BBO (Barium Borat) được kích thích chỉ bằng tia laser. Sau đó, hai photon đã được phân tách trên bộ tách trùm BS (Beam Splitter) , và đã được truyền vào hai hệ thống nhánh quang học riêng biệt.Mô tả thí nghiệm chụp ảnh 2 photon có vướng víu lượng tử (ảnh: advances.sciencemag.org)Photon thứ nhất được phản xạ ra khỏi bộ điều chế ánh sáng không gian (SLM – Spatial Light Modulator) được đặt trong một mặt phẳng hiện hình của 1 tinh thể , và hiển thị một đối tượng theo pha ánh sáng (thay vì hiển thị đối tượng theo cường độ ánh sáng) trước khi đã được thu vào một sợi quang đơn mode (SMF -Single Mode Fiber) , sau đó được giám sát bởi một diode thác điện tử (SPAD-Single Photon Avalanche Diode). Nếu diode này phát hiện ra có photon, nó cũng sẽ kích hoạt một camera độ nhạy cao (ICCD Camera- Intensified CCD Camera) chụp lại ảnh.Photon thứ hai, đi qua hệ thống quang học còn lại, bị phản xạ khỏi một SLM được đặt trong mặt phẳng miền thời gian của biến đổi Fourier của tinh thể (tương đương với mặt phẳng Fourier của đối tượng) có kèm theo một bộ lọc quay pha để quay pha photon. Sau đó photon đã được lan truyền qua một quãng đường dài khoảng 20m nhằm tạo độ trễ của ảnh, rồi mới đi qua camera ICCD.Camera ICCD được kích hoạt khi phát hiện ra một photon bởi SPAD được đặt trong nhánh đầu tiên. Đường trễ ánh sáng bảo đảm ảnh thu được của 2 photon là trùng khớp với sự chỉ ra photon thứ số 1 của SPAD. Nhờ đó hình ảnh của 2 photon có vướng víu lượng tử đã được chụp lại một cách thành công, qua đó ta thấy 2 photon này luôn có pha tương hợp với nhau để tạo thành một vòng tròn trên ảnh được chụp.Kết quả và những hình ảnh chụp đã được đến từ thí nghiệm của Paul-Antoine Moreau một lần nữa lại triệu chứng minh một cách rõ ràng sự vướng víu lượng tử của 2 vi hạt là thực sự tồn tại, đồng thời mở ra hướng mới cho việc thể hiện các hình ảnh của vướng víu lượng tử cũng như cách thể hiện các thông tin lượng tử trong tương lai.Thiện Tâm tổng hợpXem thêm: Có hơn một thực tại đồng thời tồn tại trong vật lý lượng tử


Scotlandmáy tính lượng tửrối lượng tửvướng víu lượng tửvật lý lượng tử


2019-07-18