Chụp nhanh phép đo lượng tử

Phép đo “lý tưởng” đầu tiên trong lịch sử cơ học lượng tử này không chỉ cho thấy khả năng thực hiện một loạt phép đo liên tiếp bảo tồn kết hợp lượng tử mà còn cho thấy đây là một quá trình liên tục làm các trạng thái chồng chập lượng tử chuyển dần dần theo thời gian thành các trạng thái cổ điển.

Hệ lý tưởng: Một ion strontium bị bẫy (trapped) trong điện trường. Phép đo ion này chỉ kéo dài trong một phần triệu giây.

Cơ học lượng tử là một trong những lý thuyết nền tảng của vật lý học hiện đại, là phần mở rộng và bổ sung của cơ học cổ điển (tức cơ học Newton), là cơ sở của nhiều chuyên ngành vật lý và hóa học như vật lý chất rắn, hóa lượng tử, vật lý hạt sơ cấp, v.v.. Cơ học lượng tử cho phép mô tả chính xác nhiều hiện tượng vật lý xảy ra trong thế giới vi mô mà cơ học cổ điển không thể. Cho tới nay, các tiên đoán của cơ học lượng tử luôn được thực nghiệm kiểm chứng là đúng với độ chính xác rất cao. Một trong những khác biệt rõ rệt nhất giữa cơ học lượng tử và cơ học cổ điển là phép đo (measurement). Thế nào là một phép đo trong cơ học lượng tử, gọi tắt là phép đo lượng tử (quantum measurement)? Nội hàm của nó là gì? Trạng thái lượng tử sẽ thay đổi thế nào khi bị đo? Phép đo lượng tử xảy ra một cách tức thời hay nó là một quá trình liên tục chuyển một trạng thái lượng tử thành một trạng thái cổ điển một cách từ từ theo thời gian? Đó là những câu hỏi trung tâm trong sự phát triển của cơ học lượng tử nói chung và phép đo lượng tử nói riêng. 

Bất cứ ai đã học cơ học lượng tử đều biết rằng phép đo lượng tử trên một hệ lượng tử sẽ “đẩy” hệ lượng tử vào một trạng thái cổ điển xác định, tức là làm hệ lượng tử sụp đổ (collapse), đồng nghĩa với việc làm mất toàn bộ thông tin của hệ lượng tử trước khi đo. Nhưng một nghiên cứu mới đây cho thấy một số phép đo không làm mất tất cả thông tin của hệ lượng tử trong quá trình đo. Nghiên cứu này còn tiết lộ, các phép đo lượng tử không phải là tức thời mà là một quá trình liên tục làm các trạng thái lượng tử (là các trạng thái chồng chập – superposed states) chuyển dần dần theo thời gian thành các trạng thái cổ điển.

Ý tưởng cho rằng toàn bộ sự chồng chập trạng thái bị phá hủy tức thời khi thực hiện một phép đo là một giả thuyết cơ bản của cơ học lượng tử đã được công thức hóa bởi John von Neumann và những người khác trong những năm 1930. Tuy nhiên, hai thập kỷ sau, Gerhart Lüders lại đưa ra giả thuyết cho rằng một số phép đo “lý tưởng” (“ideal” measurements) sẽ chỉ làm sụp đổ sự chồng chập của các trạng thái cụ thể đang được thăm dò, còn các trạng thái khác thì vẫn nguyên vẹn, không hề bị ảnh hưởng. Nếu thế thì, theo lập luận của Lüders, một loạt các phép đo liên tiếp như vậy sẽ bảo tồn được sự kết hợp lượng tử (quantum coherence).

Trong một công trình gần đây nhất, Markus Hennrich và các đồng nghiệp tại Đại học Stockholm, Thụy Điển, cùng với các nhà nghiên cứu tại các trường Đại học Siegen ở Đức và Seville ở Tây Ban Nha, đã thực hiện một phép đo lý tưởng như vậy trên một ion strontium. Như công bố trong bài báo của Fabian Pokorny và các cộng sự dưới nhan đề: “Theo dõi động lực của phép đo lượng tử lý tưởng” (“Tracking the Dynamics of an Ideal Quantum Measurement”), đã đăng trên tạp chí Physical Review Letters 124, 080401 (2020), các nhà nghiên cứu bắt đầu bằng cách sử dụng một tia laser để đặt ion strontium vào trạng thái chồng chập của hai trong số ba trạng thái khả dĩ của nó, mỗi trạng thái ứng với một mức năng lượng khác nhau của điện tử thuộc lớp ngoài cùng của ion. Sau đó, họ đã dùng một xung ngắn từ một tia laser khác để chỉ kích thích ion từ một trong ba trạng thái, làm cho nó phát huỳnh quang – một phép đo lý tưởng theo tiêu chí của Lüders.

Phát hiện gián tiếp

Trong phép đo như thế, một photon đơn lẻ được phát ra theo một hướng ngẫu nhiên, rất khó để có thể phát hiện được một cách trực tiếp. Thay cho việc phát hiện trực tiếp photon, Hennrich và các đồng nghiệp đã thực hiện một quy trình gọi là quy trình chụp cắt lớp (tomography). Quy trình này sử dụng nhiều xung laser và, đối với mỗi tổ hợp khả dĩ của các trạng thái chồng chập, sẽ cho thấy sự chồng chập đã bị phá hủy hay vẫn bảo tồn.

Lặp đi lặp lại quá trình đo như thế nhiều lần, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng sự kích thích và phát xạ đã phá hủy tất cả các chồng chập liên quan đến trạng thái được thăm dò. Còn các chồng chất khác thì vẫn được bảo tồn nguyên vẹn. Theo Hennrich, điều này có nghĩa là ông và các đồng nghiệp của mình thực sự đã thực hiện một phép đo lý tưởng. Hơn nữa, việc họ không cần phải phát hiện trực tiếp các photon phát ra cho thấy quá trình đo không phụ thuộc vào sự hiện diện của người quan sát. “Nó đã xảy ra như là hệ quả của việc một photon huỳnh quang được phát ra môi trường xung quanh”, Hennrich nói.

Phép đo yếu (Weak measurement)

Sau đó, nhóm của Hennrich nghiên cứu động lực học của quá trình đo bằng cách thay đổi công suất của laser được sử dụng để kích thích ion. Ý tưởng là giảm công suất của laser sao cho ion không còn được đảm bảo là luôn phát huỳnh quang ngay lập tức mà, thay vào đó, nó chỉ phát huỳnh quang trong một khoảng nhỏ của thời gian. Do huỳnh quang ít có khả năng xảy ra hơn khi công suất của laser hạ thấp hơn, Hennrich giải thích rằng các phép đo yếu như này, hay còn được gọi là các phép đo không hoàn hảo (imperfect measurements), sẽ tương đương với các giai đoạn giữa chừng của quá trình đo – nói cách khác, là các “ảnh chụp nhanh” (“snapshots”) của quá trình đo.

Bằng cách thực hiện chụp cắt lớp với các giá trị công suất khác nhau của laser kích thích, Hennrich và đồng nghiệp đã chỉ ra rằng quá trình đo khiến cho sự chồng chập trạng thái sụp đổ một cách từ từ (mặc dù toàn bộ quá trình chỉ diễn ra trong khoảng một phần triệu giây). Họ phát hiện ra rằng mức độ chồng chập giữa các trạng thái khác nhau của ion phù hợp 94% thời gian so với những dự báo lý thuyết của mô hình Lüders.

Việc chứng minh rằng Lüders đã đúng về các phép đo lý tưởng không có gì đáng ngạc nhiên đối với các nhà vật lý khác, Hennrich nói. Thật vậy, ông chỉ ra rằng vào năm 2016, Arkady Fedorov và các đồng nghiệp tại Đại học Queensland, Úc đã cho thấy rằng các phép đo lý tưởng có thể được thực hiện trên một bit lượng tử (quantum bit hay qubit) siêu dẫn với ba mức năng lượng được đặt trong một hốc vi sóng (microwave cavity). Nhưng, ông nói thêm, hệ lượng tử đó có phần hơi nhân tạo. “Những gì mà chúng tôi đã làm cho thấy là bạn có thể thực hiện một quá trình Lüders thông qua một phép đo tự nhiên (a natural measurement)”, Hennrich nhấn mạnh với physicsworld.

Fedorov ca ngợi các nhà nghiên cứu châu Âu đã có “một sự triển khai vật lý tuyệt vời” đối với một phép đo lượng tử. Fedorov cũng thừa nhận rằng, khác với nhóm của ông, các nhà nghiên cứu châu Âu đã nghiên cứu cả hai phiên bản: phiên bản phép đo mạnh (strong measurement) và phiên bản phép đo yếu (weak measurement). Tuy nhiên, theo Fedorov, sự khác biệt giữa các quy trình tự nhiên và nhân tạo không quá quan trọng. Fedorov nghĩ rằng, trong mọi trường hợp khi cần phải “thiết kế một chế độ thí nghiệm cụ thể” thì việc sử dụng một hệ đo nhân tạo có những đòi hỏi khắt khe hơn. Sự lựa chọn giữa quy trình tự nhiên hay quy trình nhân tạo, theo ông, chỉ là “vấn đề của khẩu vị” (“a matter of taste”).

Sửa lỗi lượng tử

Hennrich nói rằng, như một ứng dụng khả dĩ, công trình mới nhất của họ có thể được sử dụng để cải thiện việc sửa lỗi trong các máy tính lượng tử, gọi là sửa lỗi lượng tử (quantum error corection), vì các phép đo yếu về nguyên tắc cho phép phát hiện lỗi trong các trạng thái lượng tử mà không phá hủy các trạng thái đó trong quá trình tính toán lượng tử.

Các nhà nghiên cứu cũng muốn triển khai xem xét khả năng thực hiện các phép đo lý tưởng phức tạp hơn, trong đó quá trình đo không chỉ ảnh hưởng đến một trạng thái lượng tử mà còn ảnh hưởng đến nhiều trạng thái lượng tử cùng một lúc. “Liệu các quá trình đo như vậy có tồn tại như các quá trình tự nhiên hay không và, nếu tồn tại, thì liệu có thể thực hiện chúng với độ trung thực tương đương với độ trung thực như trong thí nghiệm của chúng tôi hay không, còn là một câu hỏi mở”, Hennrich và các đồng tác giả viết trong bài báo của mình.□

Tham khảo: https://physicsworld.com/a/physicists-take-snapshots-of-quantum-measurement/