Khám phá một loại rối lượng tử mới

Một nghiên cứu từ Technion (Viện Công nghệ Technion – Israel, một trường đại học nghiên cứu công lập thành lập từ năm 1912) tiết lộ một dạng rối lượng tử mới: sự rối xảy ra theo mômen động lượng toàn phần của các photon bị “cầm tù” trong các cấu trúc có kính thước nanomét. Khám phá này có thể đóng vai trò quan trọng trong quá trình thu nhỏ các thành phần truyền thông lượng tử và tính toán lượng tử trong tương lai.

Vật lý lượng tử đôi khi dẫn đến những dự đoán rất phi truyền thống và phản trực giác. Đó là những gì đã xảy ra khi Albert Einstein và các đồng nghiệp là Boris Podolsky và Nathan Rosen (những người sau này lập ra Khoa Vật lý tại Technion) đưa ra một kịch bản cho một hệ gồm hai hạt mà không biết hạt nào ở trạng thái nào nhưng khi, bằng một phép đo cụ thể, trạng thái của một hạt được xác định thì ngay lập tức trạng thái của hạt kia cũng bị ảnh hưởng theo một cách nhất định, bất kể khoảng cách giữa chúng lớn đến đâu. Bài báo của ba nhà khoa học nói trên được công bố vào năm 1935 mang tính lịch sử và cặp hạt trong kịch bản đó được đặt biệt danh là cặp EPR (Einstein–Podolsky–Rosen pair).

Ý tưởng cho rằng việc biết trạng thái của một hạt sẽ ảnh hưởng tức thời đến một hạt khác nằm cách nó rất xa mà không hề có tương tác vật lý và truyền thông tin nào giữa chúng có vẻ vô lý đối với Einstein, người đã gọi hiện tượng như thế là “tác động ma quỷ bất chấp khoảng cách” (“spooky action at a distance”). Hiện tượng này còn đã được xem như một nghịch lý, nghịch lý EPR (EPR paradox).

Nhưng công trình đột phá của một nhà nghiên cứu khác từ Khoa Vật lý của Technion, Giáo sư Asher Peres (đã qua đời 1/1/2005, thọ 70 tuổi), đã chỉ ra rằng tính chất kỳ lạ này có thể được sử dụng để truyền thông tin theo một cách ẩn (in a hidden way), tức là truyền thông tin tức thời giũa các địa điểm cách xa bao nhiêu cũng được mà không cần truyền vật mang thông tin đó xuyên qua không gian. Cách truyền thông tin như thế gọi là viễn chuyển lượng tử (quantum teleportation). Nó tạo ra cơ sở cho truyền thông lượng tử. Khám phá này được Asher Peres thực hiện cùng với các đồng nghiệp là Charles Bennett ở Mỹ và Gilles Brassard ở Canada.

Hiện tượng “tác động ma quỷ bất chấp khoảng cách” này sau đó được đặt tên khoa học là rối lượng tử (quantum entanglement). Giáo sư Alain Aspect (Pháp), giáo sư Anton Zeilinger (Áo) và giáo sư John Clauser (Mỹ) đã đoạt Giải Nobel Vật lý năm 2022 vì đã đo được rối lượng tử và làm rõ khả năng ứng dụng nó trong tính toán lượng tử và truyền thông lượng tử. Hai giáo sư Alain Aspect và Anton Zeilinger trước đây đã nhận bằng tiến sĩ danh dự tại Technion.

Cho đến nay, rối lượng tử đã được xác minh là tồn tại đối với nhiều loại hạt và nhiều hệ lượng tử thông qua các tính chất khác nhau của chúng. Đối với photon, các hạt ánh sáng, sự rối có thể tồn tại đối với hướng di chuyển, tần số (màu sắc) hoặc hướng phân cực của chúng. Nó cũng có thể tồn tại đối với các tính chất khó hình dung hơn, chẳng hạn như mômen động lượng (angular momentum).

Mômen động lượng của một photon (một hạt vi mô nói chung) được quy cho hai thành phần: mômen động lượng spin (hay ngắn gọn là spin) — một đặc tính nội tại của photon liên quan đến phân cực — và mômen động lượng quỹ đạo – một đại lượng có tính chất liên quan đến phân bố không gian của photon. Trong quang học cận trục (paraxial optics) hai dạng mômen động lượng này được xem như hai đại lượng độc lập tách rời và có thể tạo ra sự rối giữa chúng cho cùng một photon đơn lẻ hoặc cho nhiều photon khác nhau trong các trạng thái đa photon. Tuy nhiên, trong các hệ quang tử nano (nanophotonic) spin và mômen động lượng quỹ đạo của một photon không thể tách rời và phonton được đặc trưng bởi mômen động lượng toàn phần, lúc này đóng vai trò là một số lượng tử tốt.

Thực tế là khi các photon bị ràng buộc trong một chùm ánh sáng có độ rộng lớn hơn nhiều so với bước sóng của chúng thì spin và mômen động lượng quỹ đạo là tách biệt như hai đại lượng độc lập. Nhưng khi chúng ta cố gắng đưa các photon vào các cấu trúc không gian nhỏ hơn bước sóng quang tử (photonic wavelength) — là nỗ lực của lĩnh vực quang tử nano (nanophotonics) — thì phát hiện ra rằng, không thể tách biệt hai dạng mômen động lượng nói trên, và khi đó photon được đặc trưng bởi một đại lượng duy nhất gọi là mômen động lượng toàn phần (total angular momentum).

Vậy tại sao chúng ta lại muốn đưa photon vào những cấu trúc nhỏ như vậy? Có hai lý do chính cho việc này. Một lý do rất rõ ràng là nó giúp thu nhỏ các thiết bị sử dụng ánh sáng và do đó có thể ép nhiều thao tác hơn vào một ô có diện tích nhỏ, giống như việc thu nhỏ các mạch điện tử. Một lý do khác thậm chí còn quan trọng hơn là sự thu nhỏ này làm tăng mức độ tương tác giữa photon và vật liệu mà photon đi qua (hoặc ở gần). Điều này cho phép tạo ra các hiện tượng và ứng dụng không thể thực hiện được với các photon ở các cấu trúc vĩ mô “bình thường” của chúng.

Trong một nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature, các nhà nghiên cứu tại Technion, do Nghiên cứu sinh Amit Kam và Tiến sỹ Shai Tsesses đứng đầu, đã phát hiện ra rằng có thể làm rối các photon trong các hệ nano có kích thước bằng một phần nghìn của một sợi tóc, nhưng không phải là sự rối giữa các đặc tính thông thường của photon như spin hoặc mômen động lượng quỹ đạo, mà là sự rối giữa các mômen động lượng toàn phần. Các nhà nghiên cứu này đã quan sát quá trình mà các photon trải qua, từ giai đoạn chúng được đưa vào hệ nano cho đến khi chúng thoát ra khỏi hệ đo, và phát hiện ra rằng quá trình chuyển đổi này mở rộng thêm không gian trạng thái mà các photon có thể tồn tại trong đó.

Trong một bài báo của tạp chí Nature mới xuất hiện online ngày 2/4/2025 các tác giả đã trình bày quá trình quan sát các tương quan phi cổ điển (non-classical correlations) giữa hai photon trong chế độ cận trường (near-field). Các cặp photon ở trạng thái quang tử nano được ghép với các chế độ plasmonic và các kỹ thuật hình ảnh lượng tử được sử dụng để đo các mối tương quan của chúng. Sự rối đối với mômen động lượng toàn phần được quan sát thấy, dẫn đến một cấu trúc hoàn toàn khác so với sự rối giữa spin và mômen động lượng quỹ đạo. Phát hiện này mở đường cho quá trình xử lý thông tin lượng tử trên chip thông qua việc mã hóa thông tin lượng tử bằng mômen động lượng toàn phần của các photon.

Đây là khám phá đầu tiên về một sự rối lượng tử mới trong hơn 20 năm qua và có thể dẫn đến sự phát triển trong tương lai các công cụ mới để thiết kế các thành phần truyền thông lượng tử và máy tính lượng tử cũng như sự thu nhỏ đáng kể của chúng dựa trên photon.

Nguyễn Bá Ân tổng hợp

Tài liệu tham khảo

Phys. Org: Researchers discover a new type of quantum entanglement (11/04/2025). https://phys.org/news/2025-04-quantum-entanglement.html

Amit Kam, Shai Tsesses, Yigal Ilin, et al. Near-field photon entanglement in total angular momentum. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08761-1 (Received: 18/06/2024; Accepted: 10/02/2025; Published online: 02/04/2025)

Bài đăng trên Tia Sáng số 8/2025