“Rối lượng tử” là một trong số các thiết bị cốt truyện xuất hiện trong các bộ phim khoa học viễn tưởng hiện đại.
Ví dụ, người hâm mộ các bộ phim siêu anh hùng Marvel sẽ quen thuộc với ý tưởng rằng các dòng thời gian khác nhau hợp nhất và giao nhau, hoặc số phận của các nhân vật đan xen nhau thông qua các phương tiện dường như kỳ diệu.
Nhưng “rối lượng tử” không chỉ là một từ thông dụng trong khoa học viễn tưởng. Đó là một hiện tượng rất thực tế, khó hiểu và hữu ích. “Sự vướng víu” là một khía cạnh của bộ sưu tập lớn hơn các ý tưởng trong vật lý được gọi là cơ học chất lượng, là một lý thuyết mô tả hành vi của tự nhiên ở cấp độ nguyên tử và thậm chí là hạ nguyên tử.
Sự hiểu biết và tận dụng sự đan xen là chìa khóa để tạo ra nhiều công nghệ tiên tiến. Chúng bao gồm máy tính lượng tử, có thể giải quyết một số vấn đề nhanh hơn nhiều so với máy tính thông thường và các thiết bị giao tiếp lượng tử, cho phép chúng ta giao tiếp với nhau mà không có chút nguy cơ bị kẻ gian nghe lén.
Nhưng chính xác thì rối lượng tử là gì?
Trong cơ học lượng tử, hai hạt được cho là vướng vào nhau khi một trong các hạt không thể được mô tả hoàn hảo mà không bao gồm tất cả thông tin về hạt kia: các hạt được “kết nối” theo cách mà chúng không độc lập với nhau.
Mặc dù thoạt nhìn loại ý tưởng này có vẻ có lý, nhưng nó là một khái niệm khó nắm bắt, và các nhà vật lý vẫn đang tìm hiểu thêm về nó.
Chơi xúc xắc
Giả sử tôi đưa cho bạn và bạn của bạn Thandi mỗi người một hộp nhỏ màu đen đục. Mỗi hộp chứa một khuôn sáu mặt thông thường. Cả hai đều được yêu cầu lắc nhẹ hộp của mình để di chuyển xúc xắc.
Vì vậy, cả hai đều tách ra. Thandi trở về nhà ở một thành phố Nam Phi, Cape Town; và bạn quay trở lại thành phố khác, Durban. Họ không giao tiếp với nhau trong suốt cuộc hành trình. Khi về đến nhà, mỗi bạn mở hộp và nhìn vào số trên đầu con súc vật của mình.
Thông thường sẽ không có mối tương quan nào giữa những con số bạn và Thandi nhìn thấy. Cô ấy có khả năng quan sát bất kỳ số nào từ 1 đến 6, giống như bạn.
Quan trọng nhất, con số bạn nhìn thấy trên cái chết của anh ta sẽ không liên quan gì đến con số mà Thandi nhìn thấy trên người anh ta. Điều này không có gì đáng ngạc nhiên; trên thực tế, đây là cách thế giới hoạt động bình thường.
Tuy nhiên, nếu chúng ta có thể làm ví dụ “lượng tử” này, thì viên xúc xắc có thể hoạt động rất khác. Giả sử bây giờ tôi bảo Thandi và bạn đập hộp của họ vào nhau, trước khi lắc chúng riêng biệt và đi theo những con đường khác nhau.
Theo một cách tương tự của cơ học lượng tử, hành động va chạm hai hộp vào nhau này sẽ làm mê hoặc các viên xúc xắc và liên kết chúng, hoặc làm vướng chúng, theo một cách bí ẩn: khi mỗi người về nhà, hãy mở hộp của mình và xem nó diễn ra như thế nào. Xúc xắc: số của bạn và của Thandi sẽ tương quan hoàn hảo. Nếu bạn nhìn thấy số ‘4’ ở Durban, bạn biết rằng Thandi ở Cape Town cũng được đảm bảo hiển thị số ‘4’ trên con chết của anh ta; nếu cô ấy nhìn thấy số ‘6’, cô ấy cũng sẽ nhìn thấy nó.
Tạo một mớ hỗn độn tốt hơn
Theo những gì chúng ta biết, không có hành động đập hộp ma thuật nào để làm mê hoặc một cặp xúc xắc hoặc các vật thể khác trên quy mô vĩ mô của con người chúng ta (nếu có, chúng ta có thể trải nghiệm cơ học lượng tử trong cuộc sống hàng ngày và nó có thể sẽ không như vậy một khái niệm kỳ lạ và khó hiểu).
Tuy nhiên, hiện tại, các nhà khoa học phải bằng lòng với việc sử dụng những thứ ở cấp độ vi mô, nơi việc quan sát các hiệu ứng lượng tử dễ dàng hơn nhiều, chẳng hạn như các nguyên tử tích điện được gọi là ion hoặc các thiết bị siêu dẫn đặc biệt gọi là transmons .
Đây là loại công việc diễn ra trong Phòng thí nghiệm ánh sáng có cấu trúc tại Đại học Witwatersrand ở Nam Phi.
Tuy nhiên, thay vì các ion hoặc transmon, các nhà nghiên cứu trong phòng thí nghiệm đã sử dụng các hạt ánh sáng, được gọi là photon, để hiểu rõ hơn về cơ học lượng tử và ý nghĩa của nó.
Chúng tôi quan tâm đến việc sử dụng bản chất lượng tử của ánh sáng cho nhiều mục đích khác nhau: từ thiết kế các hệ thống liên lạc hiệu quả hoàn toàn không thể bị bên thứ ba độc hại xâm nhập, đến việc tạo ra các phương pháp chụp ảnh các mẫu sinh học nhạy cảm mà không làm hỏng chúng.
Các nghiên cứu như thế này thường yêu cầu chúng ta bắt đầu với các trạng thái được tạo ra đặc biệt của các photon vướng víu. Nhưng nó không đơn giản như việc đặt hai viên xúc xắc vào các ô riêng biệt và va chúng vào nhau.
Quản lý sự vướng mắc
Những công trình này có thể cho kết quả không đạt yêu cầu, hoặc trạng thái không lý tưởng, đòi hỏi các nhà nghiên cứu phải loại bỏ một số phép đo một cách có chọn lọc sau khi thực hiện một thí nghiệm. Đây không phải là một tình huống tối ưu: các photon bị loại bỏ và do đó năng lượng bị lãng phí.
Một nhóm các nhà nghiên cứu trong phòng thí nghiệm, bao gồm cả tôi, gần đây đã thực hiện một bước để giải quyết vấn đề này.
Trong một bài báo trên tạp chí, chúng tôi đã tính toán toán học về hình dạng tia laser tối ưu để tạo ra trạng thái vướng víu tốt nhất mà một nhà thí nghiệm muốn bắt đầu thí nghiệm của họ.
Phương pháp đề xuất thay đổi hình dạng của chùm tia laze đầu vào khi bắt đầu một thí nghiệm, để tối đa hóa quá trình tạo ra các photon vướng víu trong giai đoạn thứ hai của thí nghiệm.
Điều này có nghĩa là sẽ có nhiều photon hơn để chạy thử nghiệm theo cách bạn muốn và ít photon đi lạc hơn.
Cải thiện hiệu quả của quá trình tạo và thao tác rối, sử dụng các kỹ thuật như kỹ thuật được đề xuất, sẽ rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu quả của một số công nghệ lượng tử khác, chẳng hạn như hệ thống mật mã lượng tử và các công nghệ khác đã được đề cập.
Điều này đặc biệt quan trọng khi cuộc cách mạng công nghiệp toàn cầu lần thứ tư đang diễn ra và khi các công nghệ với cơ học lượng tử ở lõi của chúng chắc chắn trở nên phổ biến hơn.
Theo: Thebrighterside.
