Không thời gian cong trong một mô phỏng lượng tử

Thuyết tương đối rất phù hợp để người ta giải thích các hiện tượng ở quy mô vũ trụ - như các sóng hấp dẫn được tạo ra từ sự va chạm các lỗ đen. Lý thuyết lượng tử phù hợp để mô tả các hiện tượng ở quy mô vi mô – như hành xử của các electron trong một hạt nhân. Sự kết hợp cả hai lý thuyết là một cách làm vô cùng hấp dẫn và có thể thực hiện được.

Cuộc kiếm tìm một “thuyết hấp dẫn lượng tử” được coi là một trong những nhiệm vụ đáng chú ý chưa có lời giải của khoa học.

Nguyên nhân của điều này một phần là do thứ toán học trong lĩnh vực này vô cùng phức tạp. Tại cùng một thời điểm, thật khó để thực hiện các thực nghiệm phù hợp: một có thể được tạo ra các tình huống trong đó có hiện tượng mà thuyết tương đối đóng vai trò quan trọng, một không thời gian cong bởi các khối lượng cực lớn và cùng lúc đó, các hiệu ứng lượng tử trở nên hiển thị rõ ràng, bản chất lưỡng tính sóng hạt của ánh sáng.

Tại TU Wien Vienna, Áo, một cách tiếp cận mới đã được phát triển cho mục đích này: một cái gọi là “mô phỏng lượng tử” được sử dụng để hướng vào điều cơ bản của các câu hỏi: thay vì kiểm tra trực tiếp hệ quan tâm (các hạt lượng tử trong không thời gian cong), một hệ mô hình được tạo ra từ một trong những mô phỏng lượng tử này, sau đó học hỏi về hệ thống quan tâm bằng phép loại suy. Các nhà nghiên cứu ở đây đã có thể chứng tỏ là hệ mô phỏng lượng tử này có thể hoạt động một cách xuất sắc.

Phát hiện của nhóm hợp tác quốc tế đó, bao gồm các nhà vật lý từ ĐH Crete, ĐH Công nghệ Nanyang, FU Berlin, mới xuất bản trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) ¹.

Học hỏi từ một hệ khác

Ý tưởng cơ bản đằng sau mô phỏng lượng tử rất đơn giản: nhiều hệ vật lý đều tương đồng nhau. Ngay cả khi chúng là những dạng hạt hoàn toàn khác biệt hoặc các hệ vật lý ở những quy mô khác nhau, tại cái nhìn đầu tiên, mà thoạt nhìn có vẻ không liên quan đến nhau, các hệ này có thể tuân theo cùng các quy luật và phương trình tại một cấp độ sâu sắc hơn. Điều này có nghĩa là một hệ có thể học hỏi những gì về một hệ cụ thể bằng cách nghiên cứu một hệ khác.

“Chúng tôi chọn một hệ lượng tử mà chúng tôi biết chúng tôi có thể kiểm soát và điều chỉnh tốt trong các thực nghiệm”, giáo sư Jörg Schmiedmayer của Viện nguyên tử TU Wien nói. “Trong trường hợp của chúng tôi, các đám mây nguyên tử siêu lạnh được một chip nguyên tử có điện từ trường giữ và điều khiển”.

Giả sử bạn điều chỉnh các đám mây nguyên tử đó để các đặc tính của chúng có thể được dịch chuyển thành một hệ lượng tử khác. Trong trường hợp đó, bạn có thể học hỏi được một số điều về hệ khác đó từ đo đạc hệ thống mô hình đám mây nguyên tử – nhiều như việc bạn có thể học hỏi về sự dao động của một quả lắc từ một dao động khối lượng gắn vào một lò xo kim loại: chúng đều là hai hệ vật lý khác nhau nhưng một hệ có thể dịch chuyển thành hệ khác.

Hiệu ứng thấu kính lượng tử

“Chúng tôi giờ có thể chứng tỏ là chúng tôi có thể tạo ra những hiệu ứng theo cách mà có thể hữu dụng tương tự với sự bẻ cong của không thời gian”, theo Mohammadamin Tajik của Trung tâm KH&CN lượng tử Vienna (VCQ)—TU Wien, tác giả thứ nhất của bài báo.

Trong chân không này, ánh sang lan truyền dọc “nón ánh sáng”. Vận tốc của ánh sáng là hằng số; tại thời gian tương đương, ánh sáng đi qua cùng khoảng cách trong mỗi hướng. Tuy nhiên, nếu ánh sáng bị các khối lượng lớn tác động như hấp dẫn của mặt trời, các nón ánh sáng đó đều bị uốn cong. Các đường tia sáng đều không còn thẳng một cách hoàn hảo trong không thời gian cong. Đây chính là “hiệu ứng kính hấp dẫn”.

Điều tương tự giờ cũng xuất hiện trong những đám mây nguyên tử. Thay vì vận tốc ánh sáng, người ta kiểm tra vận tốc âm thanh. “Hiện chúng tôi đã có một hệ trong đó có một hiệu ứng tương ứng với bề mặt cong của không thời gian hoặc thấu kính hấp dẫn nhưng tại cùng thời điểm, đó là một hệ lượng tử mà anh có thể miêu tả bằng những lý thuyết trườn lượng tử”, Mohammadamin Tajik nói. “Với điều này, chúng tôi có một công cụ hoàn toàn mới để nghiên cứu sự kết nối giữa thuyết tương đối và lượng tử”.

Một hệ mô hình cho hấp dẫn lượng tử

Các thực nghiệm chứng tỏ là hình dạng của các nón ánh sáng, hiệu ứng thấu kính, phản xạ và những hiện tượng khác có thể được mô tả trong những đám mây lượng tử một cách chính xác như chờ đợi trong các hệ vũ trụ hấp dẫn. Điều này không chỉ thú vị để tạo ra dữ liệu mới cho nghiên cứu lý thuyết cơ bản – vật lý chất rắn và việc tìm kiếm các vật liệu mới cũng gặp phải những câu hỏi có cấu trúc tương đồng và do đó có thể trả lời cho nhiều thực nghiệm.

“Chúng tôi giờ muốn kiểm soát các đám mây tốt hơn để xác định dữ liệu sâu rộng hơn. Ví dụ, những tương tác giữa các hạt có thể vẫn được thay đổi theo một cách hướng đích hơn”, Jörg Schmiedmayer nói. Theo cách này, mô phỏng lượng tử có thể tái tạo các tình huống vật lý phức tạp đến mức không thể tính toán bằng các siêu máy tính.

Hệ mô phỏng lượng tử do đó trở thành một nguồn thông tin mới cho nghiên cứu lượng tử – thêm vào các tính toán lý thuyết, các mô phỏng trên máy tính, và các thực nghiệm trực tiếp. Khi nghiên cứu các đám mây nguyên tử, nhóm nghiên cứu hy vọng để vượt qua các hiện tượng mới mà cho đến nay vẫn có thể còn chưa được biết cũng xảy ra ở quy mô hấp dẫn, vũ trụ nhưng thiếu một cái nhìn ở cấp độ vi mô thì có thể sẽ không bao giờ phát hiện được chúng.

Vũ Nhàn tổng hợp

Nguồn: https://phys.org/news/2023-05-spacetime-quantum-simulator.html

https://www.newswise.com/articles/quantum-simulator-explores-curved-spacetime

——————————————-

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2301287120