Lần đầu tiên phát hiện hiệu ứng khi phân tách hạt photon

2 giờ trướcBài gốc

Bằng cách tách một photon đơn lẻ, các nhà khoa học đã xác nhận rằng mômen động lượng luôn được bảo toàn — một thí nghiệm có xác suất một trên một tỉ, củng cố thêm những nền tảng của vật lý lượng tử.

Xác nhận định luật bảo toàn ở cấp độ lượng tử

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Tampere, phối hợp cùng đồng nghiệp ở Đức và Ấn Độ, đã lần đầu tiên chứng minh rằng mômen động lượng góc vẫn được bảo toàn khi một photon tách thành hai.

Kết quả này xác nhận một nguyên lý cốt lõi của vật lý ở thang lượng tử, đồng thời đánh dấu một cột mốc có thể mở đường cho việc tạo ra những trạng thái lượng tử tiên tiến phục vụ tính toán, truyền thông và công nghệ cảm biến.

Các định luật bảo toàn có vai trò trung tâm trong khoa học vì chúng quyết định quá trình nào có thể xảy ra và quá trình nào không. Ví dụ quen thuộc là môn bida, khi động lượng của một quả bi truyền sang quả khác sau va chạm. Nguyên lý tương tự cũng áp dụng cho các vật quay, vốn mang mômen động lượng góc. Ngay cả ánh sáng cũng có thể mang mômen động lượng góc, cụ thể là mômen động lượng góc quỹ đạo (OAM), gắn liền với hình dạng không gian của chùm sáng.

Ở cấp độ lượng tử, điều này có nghĩa là từng photon riêng lẻ mang một giá trị OAM xác định và giá trị này phải được bảo toàn khi photon tương tác với vật chất. Trong một nghiên cứu công bố trên tạp chí Physical Review Letters, nhóm Tampere đã đặt câu hỏi: liệu quy tắc bảo toàn này có còn đúng khi một photon đơn lẻ tách thành hai hay không. Công trình này đã đẩy thử nghiệm bảo toàn đến giới hạn nhỏ nhất có thể.

Một trừ một bằng không

Theo nguyên lý, nếu một photon không mang OAM tách ra thành hai, thì giá trị OAM của hai photon tạo thành phải triệt tiêu lẫn nhau. Ví dụ, nếu một photon mang +1 đơn vị OAM, thì photon kia phải mang -1. Nói đơn giản, phương trình 1 + (-1) = 0 luôn phải đúng.

Trong quang học laser, những quy tắc tương tự đã được kiểm chứng nhiều lần, nhưng chưa từng có ai xác nhận điều này ở cấp độ một photon đơn lẻ.

Tiến sĩ Lea Kopf, tác giả chính của nghiên cứu, cho biết: “Thí nghiệm của chúng tôi cho thấy OAM thực sự được bảo toàn ngay cả khi chỉ có một photon tham gia vào quá trình. Điều này khẳng định một định luật bảo toàn then chốt ở mức cơ bản nhất, vốn bắt nguồn từ tính đối xứng của quá trình”.

Tìm kim dưới đáy biển

Thí nghiệm của nhóm dựa trên những phép đo cực kỳ tinh vi, bởi quá trình quang phi tuyến cần thiết diễn ra với hiệu suất rất thấp. Trung bình chỉ một trên một tỉ photon mới được chuyển đổi thành cặp photon, khiến việc đo đạc OAM ở cấp độ đơn photon chẳng khác nào tìm kim trong đống cỏ khô.

Nhờ hệ thống quang học siêu ổn định, mức nhiễu nền cực thấp, phương pháp dò có hiệu suất cao nhất có thể và sự kiên trì bền bỉ, các nhà khoa học đã ghi nhận đủ số lần chuyển đổi thành công để khẳng định định luật bảo toàn cơ bản này.

Bên cạnh việc xác nhận sự bảo toàn OAM, nhóm nghiên cứu còn quan sát được những dấu hiệu đầu tiên của sự vướng víu lượng tử trong các cặp photon sinh ra. Điều này cho thấy kỹ thuật có thể mở rộng để tạo ra những trạng thái lượng tử phức tạp hơn.

Giáo sư Robert Fickler, trưởng nhóm Quang học lượng tử thực nghiệm, chia sẻ: “Công trình này không chỉ có ý nghĩa nền tảng, mà còn đưa chúng ta tiến gần hơn đến việc tạo ra những trạng thái lượng tử mới, nơi photon có thể vướng víu theo mọi cách – trong không gian, thời gian và cả phân cực”.

Hướng đi tương lai trong quang học lượng tử

Trong thời gian tới, các nhà nghiên cứu dự định cải thiện hiệu suất tổng thể của phương pháp, đồng thời phát triển chiến lược đo đạc tốt hơn để việc tìm ra những “chiếc kim photon” trong “biển cả phòng thí nghiệm” trở nên dễ dàng hơn.

Ngoài ra, họ cũng đặt mục tiêu khai thác những trạng thái lượng tử đa photon được tạo ra nhằm phục vụ cho các thử nghiệm cơ bản mới và những ứng dụng trong quang học lượng tử, như truyền thông lượng tử và mạng lượng tử.

Điểm mấu chốt của phát hiện này là: Các nhà khoa học đã xác nhận một định luật nền tảng của tự nhiên vẫn đúng ngay cả ở cấp độ nhỏ nhất có thể – một photon đơn lẻ. Tuy nghe có vẻ thuần lý thuyết, nhưng nó có nhiều ý nghĩa thực tế lâu dài:

1. Củng cố nền tảng của vật lý và công nghệ lượng tử

Trong vật lý, mọi ứng dụng đều dựa trên việc tin chắc các định luật bảo toàn hoạt động ở mọi cấp độ. Nếu có trường hợp ngoại lệ (ví dụ photon đơn không tuân theo), toàn bộ lý thuyết và công nghệ lượng tử hiện nay có thể lung lay. Việc xác nhận định luật giúp củng cố nền móng cho các hệ thống tính toán lượng tử, truyền thông lượng tử.

2. Hướng tới các trạng thái lượng tử phức tạp hơn

Thí nghiệm không chỉ xác nhận bảo toàn OAM mà còn gợi mở sự vướng víu lượng tử (entanglement) giữa photon. Đây là chìa khóa để:

Tạo ra các trạng thái photon đa chiều (entangled trong không gian, thời gian, phân cực), vốn hữu ích cho mã hóa lượng tử.

Xây dựng các giao thức truyền thông không thể nghe lén (quantum communication).

Thiết kế mạng lượng tử (quantum networks) và internet lượng tử trong tương lai.

3. Cải thiện công nghệ cảm biến và đo lường

Photon mang mômen động lượng góc có thể được dùng để:

Cảm biến siêu nhạy trong y sinh, phát hiện tín hiệu nhỏ mà công nghệ hiện nay bỏ qua.

Thiết bị đo lường chính xác trong vật lý thiên văn, viễn thám hoặc quan sát các hiện tượng cực nhỏ.

4. Ứng dụng trong điện toán lượng tử quang học

Nếu ta có thể kiểm soát OAM của từng photon và tạo vướng víu có kiểm soát, ta sẽ có:

Cổng logic lượng tử quang học hiệu quả hơn.

Hệ thống tính toán song song cực mạnh, vượt xa máy tính hiện tại.

5. Đóng góp cho lý thuyết và nghiên cứu cơ bản

Khi ta kiểm chứng định luật ở cấp độ nhỏ nhất, nó mở đường cho:

Kiểm tra những giới hạn của cơ học lượng tử.

Đặt nền móng cho những khám phá mới, thậm chí dẫn đến lý thuyết vượt qua mô hình hiện tại (chẳng hạn như hợp nhất cơ học lượng tử với thuyết tương đối).

Bùi Tú

Nguồn Một Thế Giới : https://1thegioi.vn/lan-dau-tien-phat-hien-hieu-ung-khi-phan-tach-hat-photon-236439.html