Buzz
Đây là một kỹ thuật mới để đo các nguyên tử dao động, có thể cải thiện độ chính xác của đồng hồ nguyên tử và các cảm biến lượng tử để phát hiện vật chất tối hoặc sóng hấp dẫn.
Đồng hồ lượng tử là loại đồng hồ điều chỉnh thời gian dựa trên trạng thái dao động của nguyên tử. Tần số dao động của nguyên tử là không đổi và có thể đo được, làm cho đồng hồ lượng tử trở thành một trong những loại đồng hồ chính xác nhất cho đến nay. Cảm biến lượng tử, là một hệ thống các nguyên tử mà sự dao động của chúng có thể được sử dụng như một máy dò, có thể chỉ ra sự hiện diện của vật chất tối, sóng hấp dẫn đi qua hoặc thậm chí là các hiện tượng bất ngờ mới. Do đó, các nhà khoa học có thể nâng cao độ chính xác của đồng hồ nguyên tử và các cảm biến lượng tử nếu họ có thể đo chính xác các dao động nguyên tử này và cách chúng phát triển theo thời gian.
Tuy nhiên, sự thật là những 'tiếng ồn' từ thế giới bên ngoài có thể nhanh chóng làm thay đổi các dao động nguyên tử nhỏ và thực hiện bất kỳ thay đổi nào đối với chúng một cách khó phát hiện. Điều này cũng là một rào cản lớn trong việc cải thiện các phép đo lượng tử.
Tuy nhiên, các nhà vật lý của MIT đã chứng minh rằng họ có thể tăng cường đáng kể các biến đổi lượng tử trong dao động nguyên tử bằng cách kích hoạt hai quá trình chính: rối lượng tử và đảo ngược thời gian.
Với trình độ khoa học và kiến thức hiện tại của nhân loại, chúng ta vẫn chưa thể phát triển các phương tiện đảo ngược thời gian cũng như chứng minh tính khả thi của chúng một cách rõ ràng.
Thay vào đó, các nhà khoa học ép buộc các nguyên tử hoạt động theo kiểu ngược thời gian của lượng tử, làm tăng cường sự quan sát của các biến đổi trong dao động nguyên tử.
Trong nghiên cứu công bố trên Tạp chí Nature Physics vào ngày 14 tháng 7 năm 2022, nhóm các nhà khoa học đã chứng minh rằng kỹ thuật được gọi là SATIN (khuếch đại tín hiệu bằng cách đảo ngược thời gian), là phương pháp nhạy nhất từng được phát triển để đo các dao động lượng tử.
Kỹ thuật này có thể cải thiện độ chính xác của các đồng hồ lượng tử tiên tiến nhất hiện nay lên đến hệ số 15, khiến thời gian của chúng trở nên chính xác hơn chỉ 20 mili giây trong suốt lịch sử của vũ trụ. Ngoài ra, kỹ thuật này còn có thể tăng cường sự nhạy cảm của các cảm biến lượng tử được thiết kế để phát hiện sóng hấp dẫn, vật chất tối và các hiện tượng vật lý khác.
'Chúng tôi tin rằng đây là mô hình cho tương lai', tác giả chính Vladan Vuletic, Giáo sư Vật lý Lester Wolfe tại MIT, cho biết. 'Mọi sự tương tác lượng tử với nhiều nguyên tử có thể được thu thập thông qua kỹ thuật này.'
Nhóm các tác giả MIT của nghiên cứu này bao gồm tác giả đầu tiên Simone Colombo, Edwin Pedrozo-Peñafiel, Albert Adiyatullin, Zeyang Li, Enrique Mendez và Chi Shu.
Vào năm 2020, nhóm của Vuletic đã chỉ ra rằng độ chính xác của các đồng hồ nguyên tử hiện tại có thể được cải thiện bằng cách ép buộc các nguyên tử - một hiện tượng lượng tử trong đó các hạt bị buộc phải hoạt động trong một trạng thái tập thể, có sự tương quan cao. Trong trạng thái ép buộc này, dao động của các nguyên tử riêng lẻ sẽ dịch chuyển về một tần số chung và sẽ cần ít nỗ lực hơn để đo chính xác.
Vuletic phát biểu: 'Vào thời điểm đó, chúng tôi vẫn đang bị giới hạn bởi khả năng đọc ra pha của đồng hồ' - các công cụ hiện có để đo dao động nguyên tử không đủ nhạy để đọc được, hoặc đo lường bất kỳ thay đổi nhỏ nào trong dao động chung của các nguyên tử.
Trong nghiên cứu mới của họ, thay vì cố gắng cải thiện độ phân giải của các công cụ đọc hiện có, nhóm nghiên cứu đã nỗ lực tăng cường tín hiệu từ bất kỳ thay đổi nào trong dao động để chúng có thể được đọc bằng các công cụ hiện tại. Họ đã làm điều này bằng cách khai thác một hiện tượng kỳ lạ khác trong cơ học lượng tử: sự đảo ngược thời gian.
Một hệ thống lượng tử thuần túy, như một nhóm nguyên tử hoàn toàn cách biệt với tiếng ồn cổ điển hàng ngày, được cho là sẽ phát triển về phía trước theo một cách có thể dự đoán được, và tương tác của các nguyên tử (như dao động của chúng) phải được mô tả chính xác bằng 'Hamilton' của hệ thống - một mô tả toán học về tổng năng lượng của hệ thống.
Vào những năm 1980, các nhà lý thuyết dự đoán rằng nếu Hamilton của một hệ thống bị đảo ngược, và một hệ thống lượng tử tương tự được tạo ra để phát triển, thì mọi thứ sẽ trông giống như hệ thống quay ngược thời gian.
Pedrozo-Peñafiel giải thích: 'Trong cơ học lượng tử, nếu bạn biết Hamilton, bạn có thể theo dõi được những gì hệ thống đang làm trong suốt thời gian, như một quỹ đạo lượng tử. Nếu quá trình tiến hóa này hoàn toàn là lượng tử, cơ học lượng tử sẽ cho bạn biết bạn có thể khử tiến hóa hoặc biến chúng trở về trạng thái ban đầu'.
'Ý tưởng là, nếu bạn có thể đảo ngược dấu hiệu của Hamilton, mọi nhiễu loạn nhỏ xảy ra sau khi hệ thống phát triển về phía trước sẽ được khuếch đại khi bạn quay ngược thời gian', Colombo nói thêm.
Để thực hiện nghiên cứu mới của mình, nhóm nghiên cứu đã khảo sát 400 nguyên tử cực lạnh của ytterbium, một trong hai loại nguyên tử được sử dụng trong đồng hồ nguyên tử hiện nay. Họ làm lạnh các nguyên tử xuống gần độ không tuyệt đối, ở nhiệt độ mà hầu hết các hiệu ứng cổ điển như nhiệt biến mất và hành vi của các nguyên tử bị ảnh hưởng hoàn toàn bởi các hiệu ứng lượng tử.
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng một hệ thống laser để bẫy các nguyên tử, sau đó áp dụng ánh sáng 'vướng víu' màu xanh lam, buộc các nguyên tử dao động trong một trạng thái tương quan. Họ cho các nguyên tử vướng víu tiến hóa theo thời gian, sau đó tiếp xúc chúng với một từ trường nhỏ, từ trường này tạo ra một sự thay đổi lượng tử rất nhỏ, dịch chuyển một chút dao động chung của các nguyên tử.
Sự thay đổi như vậy không thể được phát hiện bằng các công cụ đo lường hiện có. Thay vào đó, nhóm nghiên cứu đã áp dụng tính năng đảo ngược thời gian để tăng cường tín hiệu lượng tử này. Họ đưa các nguyên tử vào một tia laser khác, có màu đỏ kích thích các nguyên tử tách rời nhau, như thể chúng đang tiến hóa ngược thời gian.
Sau đó, họ đo dao động của các hạt khi chúng ổn định trở lại trạng thái không bị xáo trộn, và nhận thấy pha cuối cùng của chúng khác biệt rõ rệt so với pha ban đầu - bằng chứng rõ ràng cho thấy một sự thay đổi lượng tử đã xảy ra trong quá trình tiến hóa về phía trước của chúng.
Nhóm nghiên cứu đã lặp lại thí nghiệm này hàng nghìn lần, với các đám mây lượng tử có từ 50 đến 400 nguyên tử, mỗi lần quan sát thấy sự khuếch đại dự kiến của tín hiệu lượng tử. Họ nhận thấy hệ thống vướng víu của họ nhạy hơn tới 15 lần so với các hệ thống nguyên tử không vướng víu tương tự. Nếu áp dụng cho các đồng hồ lượng tử tối tân hiện nay, nó sẽ giảm số lượng phép đo mà các đồng hồ này yêu cầu.
Trong tương lai, các nhà nghiên cứu hi vọng sẽ thử nghiệm phương pháp của họ trên đồng hồ lượng tử, cũng như trong các cảm biến lượng tử, chẳng hạn đối với vật chất tối.
Tham khảo: Scitechdaily
