Giải Nobel Vật lý 2012

Hai nhà khoa học giành giải Nobel Vật lý 2012 đã phát minh và thực hiện những công nghệ mới và phương pháp mới để ghi đo và điều khiển những hệ lượng tử riêng lẻ với độ chính xác cao. Đây là những bước đầu đột phá để chế tạo máy tính lượng tử và những đồng hồ quang học cực kỳ chính xác.

Ngày 9/10/2012 GS. Staffan Normak, Thư ký thường trực Hàn lâm viện Khoa học Hoàng gia Thụy Điển đã thông báo giải Nobel Vật lý 2012 được trao cho hai nhà khoa học: David J. Wineland – Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST-National Institute of Standards and Technology), Đại học Colorado Boulder, CO, Mỹ và Serge Haroche – Đại học Pháp (Collège de France), Đại học Sư phạm Cao cấp (Ecole Normale Supérieure), Paris, Pháp, vì đã tìm ra những phương pháp thực nghiệm có tính đột phá cho phép ghi đo và thao tác với những hệ lượng tử riêng lẻ.Số tiền thưởng của giải là 8 triệu SEK – krona Thụy Điển, (khoảng 1.200.000 USD, £750,000). Hai nhà khoa học sẽ nhận giải vào buổi lễ tổ chức ngày 10/12/2012 tại Stockholm.

Hai nhà khoa học Serge Haroche và David J.Wineland đã độc lập với nhau phát minh và phát triển những phương pháp để làm việc với những hạt riêng lẻ mà không phá hủy bản chất lượng tử của hạt, đây là điều mà trước đây cho là không thể thực hiện được. Alain Aspect (Phòng thí nghiệm Charles Fabry, Paris, người mà nhiều nhà vật lý đoán rằng cũng có hy vọng nhận giải Nobel) đã phát biểu: Schrodinger cho rằng quan sát và điều khiển các hạt lượng tử riêng lẻ là điều không bao giờ khả thi song bây giờ hai nhà vật lý giải Nobel 2012 Serge Haroche và David J.Wineland đã thực hiện được kỳ công này.

Hình 1 lột tả tinh thần giải Nobel Vật lý 2012. Những đối tượng lượng tử riêng lẻ rất khó “thuần phục”, phải nhờ tài nghệ của những nghệ sĩ có biệt tài mới điều khiển được chúng.

Hình 1. Hình vẽ trên đây cho phép hình dung việc ghi đo và thao tác trên các đối tượng lượng tử riêng lẻ là một việc rất khó khăn tương tự như việc thuần hóa các đối tượng đó bởi một nghệ sĩ.

 
David J.Wineland có công trong việc điều khiển lượng tử các ion. Ông đã tạo một ion riêng lẻ trong trạng thái con mèo Schrodinger (có thể đọc phần nói về con mèo Shrodingger ở phần sau) bằng kỹ thuật bẫy phát triển tại NIST. Các bẫy ion được tạo ra trong chân không cao bằng cách sử dụng những điện trường điều khiển chính xác. Bẫy có thể giam giữ một hoặc vài ion nằm thẳng hàng. Khi đã bị bẫy ion còn có chuyển động dao động. Năng lượng dao động này phải được lấy đi với mục đích làm lạnh ion đến trạng thái năng lượng thấp nhất. Để làm việc này Wineland đã phát triển một kỹ thuật điều khiển nhằm lấy đi các lượng tử của dao động từ ion.

Kỹ thuật này còn dùng để đưa ion vào một trạng thái chồng chất (như trạng thái con mèo Schrodinger). Wineland đã ứng dụng kỹ thuật điều khiển ion để phát triển đồng hồ quang học và các mạch máy tính lượng tử.

Serge Haroche đã phát triển một lĩnh vực mới gọi là CQED (cavity quantum electrodynamics-điện động lực học khoang) nhằm nghiên cứu các tính chất của một nguyên tử được điều khiển bằng cách bẫy nó vào một khoang (cavity) vi sóng hay quang học. Công trình của Haroche cung cấp phương pháp điều khiển tương tác giữa một nguyên tử riêng lẻ và một photon riêng lẻ (trao đổi thông tin giữa nguyên tử và photon). Điều này cho phép các nhà vật lý chế tạo máy tính lượng tử trong đó dữ liệu được lưu trữ trong những qubit (quantum bit-bit lượng tử). Dữ liệu được chuyển giữa các nguyên tử nhờ photon.

Những đối tượng lượng tử – nguyên tử (vật chất) và photon (ánh sáng) – được mô tả bởi CHLT (Cơ học lượng tử). Những hạt này thường không nằm riêng lẻ và luôn tương tác với môi trường xung quanh. Tính chất của một tập các hạt (khác với các hạt đứng riêng) được mô tả bởi cơ học cổ điển. Ngay từ những bước đầu của CHLT người ta đã nghĩ đến việc nghiên cứu cách hành xử của các hạt lượng tử riêng lẻ.

Trong những năm 1980 và 1990 nhiều phương pháp được đề ra để bẫy (hình 2) rồi làm lạnh những ion riêng lẻ và điều khiển trạng thái của chúng nhờ tia laser. Nhiều ion riêng lẻ hiện nay có thể quan sát được và thao tác tại chỗ nhờ tương tác với photon.

Hình 2. Bẫy các ion bằng cách sử dụng các điện cực để giam giữ ion lại

Một loại thí nghiệm khác ngược lại bẫy photon vào một khoang (cavity) rồi quan sát và thao tác với chúng (mà không phá hủy chúng) nhờ tương tác với các nguyên tử (xem hình 3).

Hình 3. Giam giữ photon trong một khoang trống giữa hai gương siêu dẫn rồi nghiên cứu chúng nhờ những nguyên tử Rydberg.

Những kỹ thuật này dẫn đến những nghiên cứu tiên phong để kiểm nghiệm CHLT và sự chuyển tiếp (transition) giữa các thế giới vi mô và vĩ mô. Đây không phải là những thí nghiệm lý thuyết tưởng tượng ‘thought experiments’ mà đã là những thí nghiệm được thực hiện trong thực tế.

Những kết quả khoa học trong hai hướng này của David J. Wineland và Serge Haroche làm cơ sở cho việc phát triển lĩnh vực máy tính lượng tử và chế tạo một thế hệ đồng hồ quang học có độ chính xác rất cao. Chúng thuộc về hai công nghệ liên quan song tách rời nhau: ion trong một cái bẫy điều hòa và photon trong một cái khoang (cavity).

Có rất nhiều điểm tương đồng giữa hai công nghệ đó. Trong cả hai trường hợp những trạng thái lượng tử được quan sát trong quá trình đo đạc không phá hủy trong đó hệ hai mức (two-level systems) tương tác với một dao động tử điều hòa lượng tử (xem hình 4).

Ở đây ta có một ion (với hai mức tương tác với laser) hoặc một nguyên tử bị kích thích cao (với hai mức Rydberg tương tác với trường vi sóng). Dao động tử điều hòa lượng tử mô tả chuyển động của ion trong bẫy hoặc trường vi sóng trong khoang (cavity).

Chúng ta sẽ mô tả các phương pháp trong hai trường hợp và nêu lên những ứng dụng cơ bản trong khoa học và trong công nghệ.

Hình 4. Bên trái ion Be+ nằm trong bẫy.Trạng thái lượng tử của nó (trạng thái trong và chuyển động) được điều khiển nhờ tương tác với những xung laser.Bên phải một photon (hoặc nhiều photon) bị bắt trong một khoang vi sóng tần số cao(high-Q microwave cavity). Trạng thái của trường được đo và điều khiển nhờ tương tác với các nguyên tử Rb.

Các ions bị bẫy

Việc bẫy các hạt mang điện được phát triển trong những năm 1970 (Paul & Dehmelt, Nobel 1989).

Các bẫy ions được tạo trong chân không siêu cao bằng cách sử dụng một hỗn hợp điện trường (xem lại hình 2). Có những bẫy trong đó chỉ một ion bị bắt giữ và cũng có bẫy với vài ions phân bố trên một đường thẳng. Một ion bị bắt có thêm chuyển động dao động, dao động này bị lượng tử hóa ở nhiệt độ thấp. Như vậy một ion có hai tập mức lượng tử: các mode dao động đặc trưng cho chuyển động trong bẫy (gọi là những trạng thái ngoài-external states) và những mode đặc trưng cho trạng thái lượng tử trong của ion (hình 6). Các mức đó có thể tương tác nhờ hấp thụ và bức xạ ánh sáng.

Các ion có thể quan sát được qua những chuyển tiếp quang học. Chúng có thể được quan sát trực tiếp bằng mắt thường hoặc nhờ một camera CCD (hình 5).

Hình 5. Hình ảnh huỳnh quang phát đi bởi 3 ions Be+ bị bẫy.

Một bước quan trọng trong việc điều khiển trạng thái của ion là làm lạnh bẫy đến năng lượng thấp nhất. Hình 6 biểu diễn nhiều trạng thái dao động v của một ion trong một bẫy đối với hai mức điện tử U (Up) và D (Down).

Hình 6. Hai mức điện tử U và D và nhiều mức dao động v.

 

Nhờ một laser với tần số thích hợp người ta làm giảm năng lượng của ion và năng lượng dần dần được làm lạnh đến trạng thái v=0. Kỹ thuật này của Wineland và cộng sự cho phép điều khiển cả hai bậc tự do trong và ngoài của ion.

Kỹ thuật này còn dùng để đưa ion vào một trạng thái chồng chất (như trạng thái con mèo Schrodinger).Ta có thể hình dung điều này như sau: xuất phát từ một trạng thái thấp nhất xung laser kích ion lên giữa hai mức năng lượng như vậy ion rơi vào trạng thái chồng chất của hai mức đó. Nhờ vậy mà ta thu được một trạng thái chồng chất của ion để nghiên cứu.

Nếu bẫy có chứa một ion khác thì ion này sẽ chia sẻ các mode dao động với ion đầu tiên và trạng thái chồng chất bây giờ có thể chuyển cho trạng thái trong của ion thứ hai.

Photon trong một khoang (cavity)

Nghiên cứu về điện động lực học lượng tử khoang (CQED-cavity quantum electrodynamics) đươc tiến hành trong những năm 1980 để tìm hiểu các biến đổi tính chất của một nguyên tử khi nguyên tử lọt vào một khoang vi sóng hoặc quang học. Trong khoang quang học nằm giữa hai gương photon nẩy bật lên xuống nhiều lần.Hai gương được làm bằng chất siêu dẫn làm lạnh đến gần số không tuyệt đối.

Thành phần quan trọng (xem hình 7) trong thí nghiệm của Haroche và cộng sự là một khoang vi sóng chính C gồm hai gương bán cầu đặt cách nhau một khoảng cách bằng 2,7 cm làm bằng chất liệu siêu dẫn (Nb) và được làm lạnh đến nhiệt độ rất thấp khoảng 0.8 K. Trong một khoang như vậy một photon có thể phản xạ giũa hai gương và đi được một quãng đường 40.000 km trước khi biến mất.

Hình 7. Thí nghiệm nghiên cứu trường vi sóng nhờ nguyên tử Rydberg

Haroche chuẩn bị những nguyên tử Rb được chế tạo đặc biệt gọi là nguyên tử Rydberg (theo tên nhà vật lý Thụy Điển Johannes Rydberg) với các số lượng tử n=50, 1|= |m|=49. Các nguyên tử này có bán kính khoảng 125 nm như vậy lớn hơn các nguyên tử thông thường 1000 lần và tương tác rất mạnh với trường nằm trong khoang. Sự chuyển tiếp giữa hai mức n=50 sang n=51 (xem hình 4) có gần tần số của trường trong khoang (51 GHz). Hai khoang phụ R1 và R2 (trên hình 7) dùng để tạo và điều khiển trạng thái chồng chất lượng tử giữa hai mức trên.Một detector dùng để ghi đo trạng thái của nguyên tử.

Năm 1990 Haroche và cộng sự đã tìm được phương pháp đo số photon trong một khoang mà không phá hủy chúng.Những photon riêng lẻ trong một khoang được quan sát nhờ tương tác với các nguyên tử.

Hãy theo dõi lộ trình của một nguyên tử riêng lẻ từ thiết bị B đến detector (xem hình 7).

Một nguyên tử trong trạng thái U được chuẩn bị trong B.Trong R1 một xung laser tạo nên một chồng chất của các trạng thái U và D do đó hàm sóng sẽ là trạng thái chồng chất U+D.

Sau khi đi qua khoang C trong trạng thái chồng chất trên xuất hiện pha s.

Pha s sẽ thay đổi phụ thuộc vào số photon trong khoang.

Nếu khoang không chứa một photon nào cả thì s = 0 mod 2. Trạng thái chồng chất không thay đổi. Đến R2 nhờ tương tác với một xung và ta có trạng thái U. Tiếp sau detector ghi nhận trạng thái U.

Nếu khoang chứa 1 photon thì s = . Trạng thái chồng chất thay đổi thành U-D (dấu trừ xuất hiện vì pha s thay đổi), đến R2 nhờ tương tác với một xung laser khác ta lại có trạng thái D và detector ghi nhận trạng thái D.

Như vậy có thể đo mà không phá hủy hệ để biết rằng có 0 hoặc 1 photon trong khoang. Ngoài ra ta cũng theo dõi được quá trình co (collapse) của các trạng thái chồng chất và hiểu được nghịch lý con mèo Schrodinger.

Nghiên cứu thực nghiệm nghịch lý con mèo Shrodinger

Hình 8. Con mèo Schrodinger

Một điểm khác biệt giữa CHLT và CHCĐ (cơ học cổ điển) là trong CHLT hạt lượng tử có thể nằm đồng thời trong nhiều trạng thái.

Năm 1935 nhà Vật lý người Áo giải Nobel đã đưa ra một thí nghiệm tưởng tượng với một con mèo nằm trong một cái hộp tách biệt khỏi thế giới bên ngoài để minh họa nghịch lý của CHLT giữa thế giới vi mô và thế giới đời thường. Trong hộp có một chai đựng cyanide, một chất độc chết người, chất này sẽ thoát ra sau sự phân rã của một nguyên tử phóng xạ cũng nằm trong hộp. Sự phân rã phóng xạ tuân theo các định luật của CHLT, do đó chất phóng xạ nằm trong một trạng thái chồng chất phân rã và không phân rã. Vì thế mà con mèo cũng phải nằm trong trạng thái vừa sống vừa chết.

Một hệ lượng tử (hạt, nguyên tử) trong thế giới vi mô có thể cùng một lúc nằm trong nhiều trạng thái theo nguyên lý mà các nhà vật lý gọi là nguyên lý chồng chất (superposition of states). Trong thí nghiệm tưởng tượng của Schrodinger con mèo trong hộp nằm trong trạng thái chồng chất vừa sống lại vừa chết.

Nếu ta ghé mắt nhìn vào hộp ta có nguy cơ giết chết con mèo vì trạng thái chồng chất rất nhạy cảm đối với tương tác với môi trường cho nên một ý đồ nhỏ quan sát con mèo sẽ làm cho trạng thái chồng chất của con mèo “co lại” (collapse) thành một trong hai trạng thái:sống hay chết.

Câu hỏi đặt ra: Theo sự tiến triển của thời gian liệu một hệ lượng tử có dừng tồn tại trong trạng thái chồng chất để co lại (collapse) thành một trạng thái này hay trạng thái kia? Giao diện giữa lượng tử-cổ điển được nghiên cứu ngay từ lúc CHLT hình thành.

Các phương pháp của Haroche và Wineland cho phép tiến hành thí nghiệm trong nghịch lý con mèo ngay trong phòng thí nghiệm bằng cách sử dụng photon và ion. Một trạng thái chồng chất rất dễ tan vỡ và sẽ bị phá hủy lúc tương tác với môi trường.

Wineland cùng cộng sự đã tiến hành thí nghiệm sử dụng công nghệ bẫy ion.Họ tạo nên “trạng thái con mèo” gồm bằng các ion riêng lẻ.

Haroche và cộng sự đã tạo được những trạng thái con mèo và quay phim để thấy quá trình co (collapse) của các trạng thái chồng chất đối với các hạt riêng lẻ.

Máy tính lượng tử

Từ năm 1995 các nhà vật lý đã nghĩ đến một máy tính lượng tử sử dụng ions mắc bẫy. Các qubits được mã hóa trong các mức siêu tinh vi của ions mắc bẫy vốn tương tác rất yếu với môi trường cho nên có thời gian sống lâu.

Wineland và cộng sự lần đầu tiên thực hiện các toán tử hai qubit (cổng CNOT-xem chú thích) với các ions Be+.

Hiện nay công nghệ tiền tiến của máy tính lượng tử dựa trên các ions mắc bẫy đã thực hiện được nhiều cổng (gate).Phát triển những thiết bị lớn có khả năng thực hiện những phép tính vốn là vô vọng đối với máy tính cổ điển đòi hỏi thêm nhiều nghiên cứu trong tương lai.

Sức mạnh của máy tính lượng tử ở đâu?

Một ứng dụng quan trọng các ion mắc bẫy là máy tính lượng tử. Hiện nay trong các máy tính cổ điển đơn vị thông tin nhỏ nhất là bit có khả năng lấy trị số 1 hoặc 0. Trong máy tính lượng tử đơn vị thông tin là bit lượng tử tức là qubit (quantum bit) lại có khả năng đồng thời lấy cả hai trị số 1 và 0.

Một đặc tính của các trạng thái lượng tử, khác biệt với các trạng thái cổ điển là hiện tượng liên đới lượng tử (quantum entanglement) giữa các hạt.

Như vậy 2 qubit có thể đồng thời lấy các trị số 00,01,10 và 11 cho nên một qubit thêm vào sẽ nhân đôi số trạng thái khả dĩ. Với n qubit chúng ta có 2 ⁿ (2 lũy thừa n) trạng thái khả dĩ.Và một máy tính với 300 qubit có thể lấy đồng thời 2³⁰⁰ (2 lũy thừa 300) trị số, số này lớn hơn số các nguyên tử trong toàn vũ trụ.

Bước cơ bản trong tính toán lượng tử là phép toán unita trên trạng thái chồng chất gồm n qbit. Trong máy tính lượng tử phép toán unita được thực hiện song song đối với tất cả 2 ⁿ (2 lũy thừa n) biên độ phức.Trong máy tính cổ điển một phép toán như vậy đòi hỏi 2 ⁿ (2 lũy thừa n) bước tính cơ bản cho mỗi biên độ.

Chính tính chất song song lượng tử này trong các máy tính lượng tử dẫn đến một gia tốc hàm mũ cho quá trình tính toán.Đây là nguồn gốc sức mạnh là ưu thế tuyệt đối của máy tính lượng tử so với máy tính cổ điển thông dụng hiện nay cho phép máy tính lượng tử giải những bài toán mà đối với máy tính thông thường là vô vọng.

Đồng hồ quang học

Một ứng dụng quan trọng của các kết quả của Wineland với những ion mắc bẫy là đồng hồ quang học.Đồng hồ dựa trên sự chuyển tiếp trong vùng phổ quang học là rất lý thú bởi vì tần số của các chuyển tiếp trong vùng phổ thấy được hoặc vùng phổ hồng ngoại nhiều bậc lớn hơn tần số các đồng hồ Cs (Caesium) hoạt động trong vùng vi sóng (microwave). Đồng hồ quang học được phát triển bởi Wineland và cộng sự hiện nay đạt độ chính xác 10^-17, nhiều bậc chính xác hơn so với đồng hồ Cs.

Sự chính xác của các đồng hồ quang học cho phép đo những hiệu ứng của lý thuyết tương đối Einstein như sự dãn nở thời gian trong chuyển động hoặc độ biến thiên của thế hấp dẫn giữa hai điểm ở hai độ cao khác nhau.

Một đồng hồ quang học gồm một ion hoặc 2 ion nằm trong bẫy. Với hai ion thì một dùng làm đồng hồ còn ion kia dùng để đọc đồng hồ mà không phá hủy trạng thái của đồng hồ hoặc làm sai lệch quy trình chạy của đồng hồ.

Hình 9. Đồng hồ quang học gồm hai ion, một dùng để làm đồng hồ còn ion kia dùng để đọc đồng hồ mà không phá hủy đồng hồ hoặc làm sai lệch chuyển động của nó.

Độ chính xác của đồng hồ quang học rất cao. Nếu ta đo thời gian từ thuở Bigbang đến giờ (khoảng 14 tỷ năm) thì đồng hồ quang học chỉ sai khoảng 5 giây.

Tài liệu tham khảo và chú thích

– Nobel prize.organization: advanced-physics prize 2012, popular-physics prize 2012, Press Release Nobel 2012, Prize annoucement Nobel 2012.

– Hamish Johnston, Quantum-control pioneers bag 2012 Nobel Prize for Physics,Physicsworld Oct 9, 2012.

– Cổng CNOT: biến 00 thành 00, 01 thành 01 và 10 thành 11 và 11 thành 10.Trong từ CNOT,chữ C = control. Qubit thứ nhất đóng vai trò điều khiển (control). Ta thấy lúc qubit thứ nhất có trị số 0 thì qubit thứ hai không thay đổi gì cả khi qua cổng CNOT, nhưng nếu qubit thứ nhất bằng 1 thì trị số của qubit thứ hai thay đổi 0 thành 1và ngược lại.