Các nhà khoa học mở cánh cửa cho thao tác ‘ánh sáng lượng tử’

Lần đầu tiên, các nhà khoa học tại trường đại học Sydney và trường đại học Basel Thụy Sĩ đã chứng minh năng lực điều khiển và nhận diện một số lượng nhỏ sự tương tác của các photon – các gói năng lượng ánh sáng – với sự tương quan rất cao.

Thành quả chưa từng có này đã cho thấy một cột mốc quan trọng trong sự phát triển của các công nghệ lượng tử. Các kết quả được trình bày trong bài báo xuất bản trên tạp chí Nature Physics ¹.

Phát xạ ánh sáng có kích thích, đầu tiên được Einstein nêu vào năm 1916, đã được quan sát số lượng lớn các photon và đặt cơ sở cho việc phát minh ra laser. Với nghiên cứu này, giờ đã quan sát được phát xạ kích thích ở các photon đơn lẻ.

Cụ thể, các nhà khoa học có thể đo đạc thời gian trễ trực tiếp giữa một photon và một cặp photon kết cặp tán xạ thành một chấm lượng tử, một dạng nguyên tử nhân tạo.

“Điều này mở ra cánh cửa cho thao tác những gì chúng ta gọi là ‘ánh sáng lượng tử”, TS. Sahand Mahmoodian từ trường Vật lý, Đại học Sydney và tham gia nghiên cứu, nói. “Thứ khoa học cơ bản này mở ra con đường tiến tới các kỹ thuật đo đạc tăng cường lượng tử và máy tính lượng tử photon”.

Bằng việc quan sát cách ánh sáng tương tác với vật chất hơn một thế kỷ trước, các nhà khoa học đã khám phá ánh sáng không chỉ là một chùm hạt hay dạng sóng năng lượng – nhưng thể hiện cả hai đặc tính mà người ta gọi là lưỡng tính sóng hạt.

Con đường ánh sáng tương tác với vật chất tiếp tục thu hút các nhà khoa học và sự tưởng tượng của con người, cả về vẻ đẹp lý thuyết của nó lẫn ứng dụng thực tế hữu dụng.

Cho dù nó là cách ánh sáng đi qua các không gian rộng lớn của môi trường liên sao hay sự phát triển của tia laser, nghiên cứu về ánh sáng là một khoa học sống còn cho những ứng dụng thực tế quan trọng. Không có những nền móng lý thuyết đó, thực tế tất cả các công nghệ hiện đại không thể có được. Không có điện thoại di dộng, không mạng lưới truyền thông toàn cầu, không máy tính, không GPS, hình ảnh y học hiện đại.

Một ứng dụng tiên tiến của việc sử dụng ánh sáng trong truyền thông – thông qua sợi quang – là các gói năng lượng ánh sáng, các photon, không dễ dàng tương tác với nhau. Điều này dẫn đến việc truyền thông tin không bị biến dạng ở tốc độ ánh sáng.

Tuy nhiên, chúng ta thi thoảng muốn ánh sáng tương tác với nhau. Và tại đây, có những điều trở nên phức tạp. Ví dụ, ánh sáng được dùng để đo đạc những thay đổi nhỏ về khoảng cách bằng sử dụng các công cụ gọi là giao thoa kế. Các công cụ đo đạc này này hiện đã trở nên phổ biến, dù ở các thiết bị hình ảnh y khoa tiên tiến, đến những nhiệm vụ thông thường như kiểm soát chất lượng sản phẩm sữa hay trong hình thức là các thiết bị phức tạp như LIGO, công cụ đầu tiên trên thế giới đo đạc được sóng hấp dẫn vào năm 2015.

Quy luật cơ học lượng tử cũng đặt các giới hạn lên độ nhạy của các thiết bị. Giới hạn này được thiết lập lên độ nhạy của một thiết bị và số lượng trung bình của các photon trong thiết bị đo đạc. Điều này khiến ánh sáng laser cổ điển khác biệt với ánh sáng lượng tử.

Tham gia vào nghiên cứu, TS. Natasha Tomm từ trường đại học Basel, nói, “Thiết bị mà chúng tôi xây dựng tạo ra những tương tác mạnh giữa các photon, qua đó chúng tôi có thể quan sát sự khác biệt giữa tương tác của một photon với hai photon”.

“Chúng tôi thấy một photon bị trễ với thời gian dài hơn so với hai photon. Với tương tác photon-photon mạnh này, hai photon trở nên rối theo hình thức của cái gọi là liên kết trạng thái của hai photon với nhau”.

Ánh sáng lượng tử theo cách này đem lại một bước tiến mà theo nguyên tắc, khiến cho các đo đạc nhạy hơn với độ phân giải tốt hơn bằng sử dụng ít photon hơn. Điều này vô cùng quan trọng cho các ứng dụng trong kính hiển vi sinh học bởi cường độ ánh sáng lớn có thể làm ảnh hưởng đến các mẫu và các đặc trưng muốn quan sát lại rất nhỏ. “Với việc chứng minh là mình có thể nhận diện và thao tác các trạng thái liên kết photon, chúng tôi đã có bước tiến đầu tiên tiến gần tới khai thác ánh sáng lượng tử cho ứng dụng thực tế”, TS. Mahmoodian nói.

“Các bước tiếp theo trong nghiên cứu của tôi là xem xét cách tiếp cận này có thể hữu dụng cho việc tạo ra các trạng thái ánh sáng để sửa lỗi cho tính toán lượng tử, hiện đang được các công ty triệu đô như PsiQuantum hay Xanadu theo đuổi”.

Theo TS. Tomm, “Thực nghiệm này quá đẹp không phải vì nó xác nhận một hiệu ứng cơ bản – phát xạ kích thích – tại giới hạn nền tảng của nó mà vì nó thể hiện một bước tiến công nghệ lớn cho các ứng dụng tiên tiến”.

“Chúng ta giờ có thể áp dụng các nguyên tắc tương tự để phát triển các thiết bị hiệu quả hơn để đem lại các trạng thái liên kết photon. Điều này hứa hẹn cho một phạm vi rộng ứng dụng ở các lĩnh vực khác nhau: từ sinh học đến sản xuất tiên tiến và xử lý thông tin lượng tử”.

Nhóm hợp tác giữa ĐH Basel, ĐH Leibniz Hannover, ĐH Sydney và ĐH Bochum Ruhr, đặt dưới sự dẫn dắt của TS. Natasha Tomm của ĐH Basel và TS. Sahand Mahmoodian tại ĐH Sydney. Các nguyên tử nhân tạo (các chấm lượng tử) được chế tạo tại Bochum và sử dụng trong thực nghiệm ở Nhóm Nano-Photonics ĐH Basel. Phần lý thuyết của nghiên cứu do TS. Mahmoodian thực hiện.

Thanh Phương tổng hợp

Nguồn: https://thewest.com.au/technology/scientists-closer-to-using-quantum-light-in-medicine-c-10101454

https://phys.org/news/2023-03-scientists-door-quantum.html

——————————-

1. https://www.nature.com/articles/s41567-023-01997-6