Ghi hình hàm sóng của cặp photon: một phương pháp nhanh để chụp cắt lớp lượng tử

Khả năng quan sát trực tiếp trạng thái lượng tử mở ra cách tiếp cận mới cho nghiên cứu và ứng dụng công nghệ lượng tử. Một nhóm nghiên cứu hợp tác giữa Đại học Ottawa và Đại học Sapienza vừa trình bày kỹ thuật cho phép dựng ảnh hàm sóng của hai photon rối lượng tử trong thời gian thực — nghĩa là quan sát những đặc trưng lượng tử khi chúng diễn ra, thay vì phải lắp ghép kết quả đo trong nhiều giờ hoặc ngày.

Vấn đề căn bản: tại sao việc xác định hàm sóng khó đến vậy?

Trong cơ học lượng tử, hàm sóng là biểu diễn trạng thái của một hạt: nó chứa thông tin như tính chất, vị trí và các tham số có thể đo được. Tuy nhiên, để biết chính xác một hàm sóng người ta phải tiến hành nhiều phép đo. Quy trình này được gọi là chụp cắt lớp trạng thái lượng tử (quantum state tomography) và thường yêu cầu lượng phép đo tăng tỉ lệ thuận với độ phức tạp của hệ thống.

Sự khó khăn nằm ở chỗ mỗi phép đo làm thay đổi hoặc phá vỡ trạng thái lượng tử ban đầu, đồng thời các kết quả rất nhạy cảm với nhiễu. Trước đây, để tái tạo trạng thái của hai photon trong một hệ phức tạp, các nhóm nghiên cứu có thể mất hàng giờ, thậm chí vài ngày để thu đủ dữ liệu và xử lý.

Một phép ẩn dụ phổ biến giúp hình dung vấn đề là so sánh với một đôi giày: nếu hai photon rối lượng tử giống như hai chiếc giày trong một hộp kín, việc đo đạc tương tự như mở để kiểm tra một chiếc giày — hành động đó ngay lập tức cung cấp thông tin về chiếc còn lại, nhưng trước khi mở ta không thể rõ ràng mô tả chúng. Đó là nguồn gốc của cả tính liên kết và sự bất định trong hệ lượng tử.

Ý tưởng chuyển từ holography sang lượng tử

Trong quang học cổ điển có phương pháp dựng hình 3D từ một ảnh dựa trên mẫu giao thoa ánh sáng: digital holography. Nhóm nghiên cứu đã tận dụng ý tưởng tương tự nhưng trong bối cảnh lượng tử, mở rộng kỹ thuật để áp dụng cho một cặp photon rối lượng tử.

Dựng lại hình ảnh của cặp hạt photon rối lượng tử – (Ảnh: Nature).

Về mặt thực nghiệm, nhóm do Ebrahim Karimi dẫn dắt đã chồng lên hệ hai photon một trạng thái lượng tử đã biết và tìm cách phân tích vị trí xuất hiện của mỗi photon. Việc ghi nhận vị trí đồng thời của hai photon tạo nên một “ảnh trùng hợp ngẫu nhiên” (coincidence image). Từ các mẫu giao thoa quan sát được, các nhà nghiên cứu có thể tính ra hàm sóng biểu diễn trạng thái chung của hai photon.

Thiết bị và bước đo: ghi nhận ở tốc độ nano giây

Một yếu tố then chốt giúp phương pháp mới thực hiện được là hệ thống camera có khả năng ghi lại pixel ở độ phân giải thời gian đến cỡ nano giây. Nhờ khả năng thu nhận nhanh các sự kiện trùng hợp này, việc xây dựng ảnh hàm sóng không còn đòi hỏi phải tiến hành hàng loạt phép đo rời rạc kéo dài nhiều giờ.

Giáo sư Alessio D’Errico từ Đại học Ottawa — một trong những tác giả nghiên cứu — nhấn mạnh ưu thế về thời gian: phương pháp mới có thể cho kết quả trong vài phút hoặc thậm chí vài giây, thay vì mất vài ngày như trong các cách tiếp cận truyền thống. Ông cũng chỉ ra rằng thời gian thu thập dữ liệu không bị chi phối bởi độ phức tạp của hệ như trước đây.

Nguyên lý vận hành ngắn gọn

Tóm lại quy trình gồm ba bước chính:

• Chuẩn bị cặp photon rối lượng tử và một trạng thái lượng tử tham chiếu đã biết;
• Ghi nhận vị trí xuất hiện của hai photon đồng thời, thu được ảnh trùng hợp mô tả mẫu giao thoa;
• Tính toán hàm sóng hệ dựa trên dữ liệu giao thoa và tham chiếu đã biết.

Điểm khác biệt là phương pháp không cần chuỗi phép đo quá dài để lấp đầy không gian tham số: mẫu giao thoa chứa thông tin đủ để tái dựng hàm sóng nhanh hơn nhiều so với chụp cắt lớp lượng tử truyền thống.

Những ứng dụng tiềm tàng

Dù nghiên cứu mang tính cơ bản, tác động của nó hướng tới các lĩnh vực thực tiễn. Khi khả năng xác định trạng thái lượng tử trở nên nhanh và trực quan hơn, điều đó có thể hỗ trợ phát triển máy tính lượng tử bằng cách kiểm tra và tinh chỉnh trạng thái lượng tử cần thiết cho tính toán. Ngoài ra, các hệ thống liên lạc lượng tử cũng hưởng lợi từ việc nhận biết và kiểm soát trạng thái photon nhanh chóng.

Bên cạnh đó, phương pháp mở ra hướng phát triển mới cho kỹ thuật chụp ảnh lượng tử — nơi mà thông tin lượng tử của ánh sáng được dùng trực tiếp để tái tạo hình ảnh hoặc đo lường các thuộc tính tinh vi của hệ vật lý.

Công nghệ càng phát triển, khả năng tạo hình 3D càng tiên tiến – (Ảnh: Internet).

Giới hạn và những điều cần cân nhắc

Dù nhanh hơn, giải pháp vẫn phải đối mặt với các thách thức thực nghiệm. Các phép đo lượng tử nói chung rất nhạy với nhiễu, và chất lượng kết quả phụ thuộc vào khả năng kiểm soát nguồn photon, độ ổn định của hệ đo và bộ cảm biến. Một điểm đáng lưu ý khác là trong cơ học lượng tử, nguồn phát photon đôi khi không thể xác định một cách tuyệt đối — các photon quan sát được có thể phát ra từ nguồn thí nghiệm hoặc từ một nguồn khác theo lý thuyết lượng tử, điều này ảnh hưởng tới cách diễn giải số liệu trong một số bối cảnh.

Sau cùng, việc chuyển giao phương pháp từ phòng thí nghiệm sang ứng dụng thực địa (ví dụ trong mạng liên lạc lượng tử) đòi hỏi kiểm nghiệm thêm về độ bền, tính lặp lại và khả năng hoạt động trong môi trường có nhiễu thực tế.

Kết luận

Nhóm nghiên cứu hợp tác giữa Đại học Ottawa và Đại học Sapienza đã trình bày một con đường mới để quan sát hàm sóng của cặp photon rối lượng tử với tốc độ đo nhanh hơn trước đây đáng kể. Bằng cách ứng dụng ý tưởng tương tự digital holography ở miền lượng tử và sử dụng hệ camera thời gian cực ngắn, họ thu được ảnh trùng hợp từ đó tái dựng trạng thái lượng tử. Công trình đã được công bố trên tạp chí Nature Photonics và hứa hẹn đóng góp cho tiến trình nghiên cứu và thực nghiệm trong công nghệ lượng tử.

Để tiếp tục đọc và mở rộng hiểu biết, bạn có thể tham khảo các bài viết liên quan dưới đây.

Muốn đào sâu về cách sử liệu và khảo cổ phân tách hình tượng Dát Kỷ khỏi truyền thuyết, bài viết phục dựng chân dung Dát Kỷ trong sử liệu cung cấp góc nhìn phân tích giữa huyền thoại và tư liệu lịch sử, hữu ích cho người quan tâm đến phương pháp phục dựng nhân vật lịch sử.

Nếu bạn muốn hiểu mốc thiên văn và ý nghĩa của tiết khí trong đời sống, hãy đọc bài ý nghĩa thiên văn của tiết Thu phân để thấy tác động của mốc này lên thời tiết, nông vụ và văn hóa truyền thống.

Với quan tâm về vật phẩm và biểu tượng quyền lực trong hậu cung, bài vai trò kim qua tử trong hậu cung sẽ giải thích vì sao những miếng vàng nhỏ lại mang ý nghĩa xã hội và chính trị trong nội đình cổ Trung Hoa.