Tạo con mèo Schrödinger nặng nhất bằng sự chồng chập hai trạng thái lượng tử

Dù không phải là một nhà vật lý lượng tử, bạn cũng đã từng nghe về con mèo nổi tiếng của Schrödinger. Erwin Schrödinger đã nêu ý tưởng về con mèo ở trạng thái vừa sống lại vừa chết trong một thực nghiệm tưởng tượng vào năm 1935.

Sự mâu thuẫn rõ ràng này – cuối cùng, trong đời sống hằng ngày chúng ta chỉ thấy những con mèo hoặc còn sống hoặc đã chết – đã gợi ý cho các nhà khoa học cố gắng nhận biết các tình huống tương tự trong phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, họ đã thực hiện được điều đó bằng việc sử dụng các nguyên tử, phân tử hoặc các trạng thái chồng chập lượng tử tại hai điểm cùng lúc.

Tại ETH, một nhóm nghiên cứu do Yiwen Chu, giáo sư tại Phòng thí nghiệm Vật lý chất rắn, đã tạo ra một con mèo Schrödinger nặng hơn một cách bền vững bằng việc đặt một tinh thể nhỏ vào một chồng chập của hai trạng thái dao động. Kết quả của họ, đã được xuất bản trên tạp chí Science, có thể dẫn đến nhiều bit lượng tử mạnh hơn và rọi ánh sáng vào điều bí ẩn là tại sao không thể quan sát được các chồng chập lượng tử trong thế giới vĩ mô.

Con mèo trong hộp

Trong thực nghiệm tưởng tượng ban đầu của Schrödinger, một con mèo bị nhốt bên trong một hộp kim loại cùng với một hợp chất phóng xạ, một máy đếm nhịp Geiger và một bình thót cổ độc chất. Trong một khung thời gian nhất định – một giờ chẳng hạn – một nguyên tử trong hợp chất hoặc có thể không phân rã thông qua quá trình cơ học lượng tử với một khả năng nhất định, và các sản phẩm phân rã có thể là nguyên nhân làm máy đếm nhịp Geiger hoạt động và kích hoạt một cơ chế va chạm với cái bình đựng độc chất, cuối cùng làm con mèo chết.

Do người quan sát bên ngoài không thể biết là liệu một nguyên tử trên thực tế có phân rã không, người này không biết liệu con mèo còn sống hay đã chết – theo cơ học lượng tử, vốn điều khiển sự phân rã của nguyên tử đó, có thể là con mèo ở trong trạng thái chồng chập sống/chết (ý tưởng của Schrödinger xuất phát từ sự nhớ tiếc con mèo thực trước đây của ông tại ngôi nhà ở số 9 Huttenstrasse, Zurich).

“Dĩ nhiên, trong phòng thí nghiệm, chúng ta không thể thực hiện được một thực nghiệm với một con mèo thực nặng vài ki lô”, Chu nói. Thay vào đó, cô và đồng nghiệp của mình đã tạo ra một trạng thái mèo bằng việc sử dụng một tinh thể dao động để tái hiện con mèo, với một mạch siêu dẫn tái hiện nguyên tử nguyên bản. Mạch đó về cơ bản là một bit lượng tử, qubit, có thể đạt được các trạng thái logic “0” hoặc “1” hoặc một chồng chập của cả hai trạng thái “0+1”.

Sự kết nối giữa qubit và “mèo” tinh thể không chỉ là máy đếm Geiger và độc chất mà là một lớp vật liệu piezoelectric tạo ra một điện trường khi tinh thể thay đổi hình dạng trong dao động. Điện trường đó có thể kết cặp với điện trường của qubit, và từ đó trạng thái chồng chập của qubit có thể truyền cho tinh thể.

Các dao động đồng thời trong các hướng đối lập

Kết quả là, tinh thể giờ có thể dao động theo hai hướng cùng một thời gian – ví dụ, lên/xuống và xuống/lên. Các hướng đó tái hiện trạng thái “sống” và “chết” của con mèo. “Bằng việc đặt hai trạng thái dao động trong tinh thể ở trạng thái chồng chập, chúng tôi đã tạo ra một cách hiệu quả con mèo của Schrödinger nặng 16 microgram”, Chu giải thích. Nó chỉ nặng tương đương với khối lượng của một hạt cát mịn nhưng vẫn nặng hơn hàng tỉ lần so với một nguyên tử hoặc một phân tử, tạo thành một con mèo lượng tử béo nhất từ trước đến nay.

Để các trạng thái dao động đó thành các trạng thái mèo thật, điều quan trọng là phân biệt được chúng về mặt vĩ mô. Điều này có nghĩa là sự phân tách của các trạng thái “lên” và “xuống” có thể lớn hơn bất kỳ thăng giáng lượng tử hay nhiệt nào của các vị trí nguyên tử bên trong tinh thể. Chu và cộng sự kiểm tra điều này bằng việc đo đạc sự phân tách về không gian của hai trạng thái đó bằng việc sử dụng qubit siêu dẫn. Ngay cả kết quả đo lường sự phân tách đó chỉ ở mức phần tỉ tỉ mét – trên thực tế thì nhỏ hơn một nguyên tử – nó cũng đủ lớn để phân biệt một cách rõ ràng hai trạng thái.

Đo lường các nhiễu loạn nhỏ với các trạng thái mèo

Trong tương lai, Chu muốn thúc đẩy giới hạn khối lượng của các con mèo tinh thể của mình đi xa hơn. “Nó thật thú vị bởi sẽ cho phép chúng tôi hiểu sâu sắc hơn nguyên nhân đằng sau sự biến mất của hiệu ứng lượng tử ở thế giới vĩ mô với con mèo thực sự”, cô nói.

Vượt qua ngoài mối quan tâm khoa học, có những ứng dụng tiềm năng trong công nghệ lượng tử. Ví dụ, thông tin lượng tử lưu trữ trong các qubit có thể được tăng cường hơn bằng sử dụng các trạng thái mèo được tạo bằng một số lượng lớn các nguyên tử trong một tinh thể so với việc phụ thuộc vào các đơn nguyên tử hoặc đơn ion như hiện nay. Tuy nhiên độ nhạy của các vật thể khối lượng lớn trong các trạng thái chồng chập có thể được khai thác cho các đo đạc chính xác của các nhiễu loạn nhỏ như sóng hấp dẫn hoặc dò vật chất tối.

Vũ Nhàn tổng hợp

Nguồn: https://phys.org/news/2023-04-heaviest-schrdinger-cat-small-crystal.html

https://www.lifetechnology.com/blogs/life-technology-science-news/heaviest-schrodinger-cat-achieved-by-putting-a-small-crystal-into-a-superposition-of-two-oscillation-states

————————————

1. https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf7553