Lần đầu tiên, giới khoa học đã chụp được hình ảnh thực tế của hiện tượng rối lượng tử.

Hợp tác giữa các nhà khoa học từ Đại học Ottawa và Đại học Sapienza đã ghi lại vũ điệu của hai hạt photon rối lượng tử trong thời gian thực.

Cụ thể, nhóm các nhà khoa học thực hiện một kỹ thuật mới để tái tạo hình ảnh hàm sóng của hai hạt ánh sáng (photon) rối lượng tử với nhau.

So sánh cặp photon với một đôi giày, thì hiện tượng “rối lượng tử” có thể giống như việc chọn ngẫu nhiên một chiếc giày và khi xác định được một chiếc, ta sẽ biết ngay bản chất của chiếc còn lại bất kể nó ở đâu. Tuy nhiên, điều gây tò mò là sự không chắc chắn trong quá trình xác định bản chất của chiếc giày, vốn không rõ ràng cho đến khi được đo lường.

Hàm sóng, là nguyên lý trọng tâm của cơ học lượng tử, cung cấp cái nhìn chi tiết về trạng thái lượng tử của hạt. Như trong ví dụ về chiếc giày ở trên, “hàm sóng” của giày sẽ chứa thông tin như giày trái hoặc phải, cỡ giày, màu giày, v.v…

Hơn nữa, hàm sóng giúp các nhà khoa học dự đoán kết quả của các đo lường tính lượng tử của hạt, như vị trí hoặc vận tốc.

Khả năng dự đoán này quý giá không tưởng, đặc biệt khi lĩnh vực công nghệ lượng tử đang phát triển với tốc độ nhanh chóng. Khi ta biết trạng thái lượng tử của một hệ thống được tạo ra, hoặc biết tính chất của hạt, ta có thể thử nghiệm máy tính lượng tử. Ngoài ra, trạng thái lượng tử của hạt trong máy tính lượng tử vô cùng phức tạp, liên quan đến nhiều thực thể sở hữu trạng thái lượng tử riêng biệt của chúng.

Xác định hàm sóng của một hệ thống lượng tử là một quá trình rất khó - gọi là chụp cắt lớp trạng thái lượng tử (quantum state tomography), hoặc ngắn gọn là chụp cắt lớp lượng tử (quantum tomography). Phương pháp cơ bản đòi hỏi một lượng lớn các phép đo, số lượng này tăng theo tỷ lệ với độ phức tạp của hệ thống.

Nghiên cứu trước đó cho thấy: để chụp trạng thái lượng tử của hai photon trong một hệ thống phức tạp, một nhóm nghiên cứu có thể mất vài giờ hoặc thậm chí vài ngày. Ngoài ra, chất lượng kết quả đo lường rất nhạy cảm với các tín hiệu nhiễu, cũng như phụ thuộc vào độ phức tạp của hệ thống.

Có thể so sánh phương pháp quy chiếu của chụp cắt lớp lượng tử với việc nhìn vào bóng chiếu lên tường của một vật thể. Dựa trên những gì được quan sát, các nhà khoa học có thể ước lượng trạng thái của toàn bộ photon. Ví dụ, từ hình chụp 2D, ta có thể suy luận ra dạng 3D của vật thể.

Trong quang học cổ điển, còn một cách khác để tạo ra hình ảnh 3D. Đó là kỹ thuật chụp ảnh toàn ký kỹ thuật số (digital holography), dựa trên một hình ảnh duy nhất được tạo ra từ ánh sáng tán ra sau khi chiếu vào vật thể.

Áp dụng và mở rộng phương pháp này với một cặp hạt photon, nhóm nghiên cứu do Ebrahim Karimi - đồng chủ nhiệm viện nghiên cứu Liên hệ Công nghệ Lượng tử Ottawa (NexQT) và Phó giáo sư tại Khoa Khoa học - dẫn dắt, đã cố gắng chụp ảnh hiện tượng rối lượng tử.

Tái tạo trạng thái lượng tử của hai photon đòi hỏi các nhà khoa học phải đặt chúng vào một trạng thái lượng tử đã được nghiên cứu kỹ lưỡng trước đó, sau đó phân tích vị trí của hai hạt photon. Kết quả của việc ghi lại vị trí của hai photon được gọi là “ảnh trùng hợp ngẫu nhiên - coincidence image”. Những photon này có thể đến từ nguồn sáng được sử dụng trong thí nghiệm hoặc một nguồn khác không xác định, bởi vì cơ học lượng tử khẳng định rằng nguồn của photon không thể xác định được.

Quá trình đo đạc photon tạo ra các mẫu giao thoa từ đó, các nhà khoa học có thể tính toán hàm sóng. Thành công của thử nghiệm là nhờ một hệ thống camera có khả năng ghi lại các pixel ở độ phân giải nano giây.

Giáo sư Alessio D’Errico tại Đại học Ottawa, là một trong số tác giả của nghiên cứu mới, nhấn mạnh vào lợi thế của phương pháp nghiên cứu sáng tạo. “Cách này nhanh hơn rất nhiều so với các phương pháp trước đó, chỉ cần vài phút hoặc vài giây so với thời gian vài ngày như trước đây. Quan trọng nhất, thời gian [đo đạc ra kết quả] không bị ảnh hưởng bởi độ phức tạp của hệ thống”, giáo sư nói.

Nghiên cứu mới không chỉ quan trọng với cộng đồng học thuật. Nó có thể giúp tăng tốc độ nghiên cứu trong lĩnh vực công nghệ lượng tử, từ việc cải thiện khả năng xác định bản chất của trạng thái lượng tử, của các hệ thống liên lạc lượng tử, thậm chí đến việc phát triển các phương pháp chụp hình lượng tử mới.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Photonics.

Theo Phys.org