Một xung laser bật ra khỏi một nguyên tử rubidium và bước vào thế giới lượng tử - tiếp nhận vật lý kỳ lạ của "con mèo Schrödinger". Sau đó, một người khác đã làm điều tương tự. Rồi khác.
Các xung laser không mọc râu hoặc chân. Nhưng chúng trở nên giống như thí nghiệm suy nghĩ vật lý lượng tử nổi tiếng Con mèo Schrödinger theo một cách quan trọng: Chúng là những vật thể lớn hoạt động giống như những sinh vật sống chết đồng thời của vật lý hạ nguyên tử - tồn tại trong tình trạng lấp lửng giữa hai trạng thái trái ngược nhau. Và phòng thí nghiệm ở Phần Lan nơi họ sinh ra không có giới hạn về số lượng họ có thể làm. Xung sau khi xung biến thành một sinh vật của thế giới lượng tử. Và những "con mèo lượng tử" đó, mặc dù chúng chỉ tồn tại trong một phần giây trong cỗ máy thí nghiệm, có khả năng trở thành bất tử.
"Trong thí nghiệm của chúng tôi, chúng được gửi đến máy dò ngay lập tức, vì vậy nó đã bị phá hủy ngay sau khi tạo ra nó", Bastian Hacker, nhà nghiên cứu tại Viện Quang học lượng tử Max Planck ở Đức, người làm việc trên thí nghiệm cho biết.
Nhưng nó không phải như vậy, Hacker nói với Live Science.
"Một trạng thái quang học có thể tồn tại mãi mãi. Vì vậy, nếu chúng ta gửi xung ra bầu trời đêm, nó có thể sống hàng tỷ năm trong trạng thái của nó."
Tuổi thọ đó là một phần của những gì làm cho các xung này rất hữu ích, ông nói thêm. Một con mèo laser sống lâu có thể sống sót trong thời gian dài qua sợi quang, khiến nó trở thành một đơn vị thông tin tốt cho một mạng lưới các máy tính lượng tử.
Mèo lượng tử, chết và sống
Vậy ý nghĩa của việc tạo ra xung laser như con mèo của Schrödinger là gì? Trước hết, con mèo không phải là thú cưng. Đó là một thí nghiệm tư tưởng mà nhà vật lý Erwin Schrödinger đã đề xuất vào năm 1935 để chỉ ra sự bất hợp lý tuyệt đối của vật lý lượng tử mà ông và các đồng nghiệp chỉ mới khám phá ra.
Đây là cách nó diễn ra: Vật lý lượng tử ra lệnh rằng, trong những điều kiện cụ thể, một hạt có thể có hai đặc điểm trái ngược nhau cùng một lúc. Độ xoáy của hạt (một phép đo lượng tử trông không giống như vòng quay mà chúng ta thấy ở quy mô vĩ mô) có thể "tăng" trong khi cũng bị "giảm". Chỉ khi độ xoáy của nó được đo thì hạt mới sụp đổ theo cách này hay cách khác.
Các nhà vật lý có một số cách hiểu về hành vi này, nhưng phổ biến nhất (được gọi là giải thích Copenhagen) nói rằng hạt không thực sự quay tròn hoặc quay xuống trước khi nó được quan sát. Cho đến lúc đó, nó ở trong một loại thế giới mờ ảo giữa các quốc gia và chỉ quyết định cái này hay cái kia khi bị một người quan sát bên ngoài ép buộc.
Schrödinger nhận thấy rằng điều này có một số hàm ý kỳ quái.
Anh tưởng tượng ra một hộp thép mờ đục, chứa một con mèo, một nguyên tử và một lọ thủy tinh kín bằng khí độc. Nếu nguyên tử phân rã (một khả năng, nhưng không phải là điều chắc chắn, nhờ cơ học lượng tử), một cơ chế trong hộp sẽ làm vỡ kính, giết chết con mèo. Nếu nguyên tử không phân rã, con mèo sẽ sống. Để con mèo trong hộp một giờ, Schrödinger nói, và con mèo sẽ kết thúc trong một "sự chồng chất" giữa sự sống và cái chết.
Vấn đề với điều đó, ông đã ngụ ý, là nó không có ý nghĩa gì cả.
Chưa hết, con mèo của Schrödinger đã trở thành một loại tốc ký hữu ích cho những thứ có quy mô vĩ mô tuân theo các định luật vật lý cổ điển, nhưng tương tác với các vật thể lượng tử sao cho chúng không hoàn toàn là một đặc điểm hay hoàn toàn khác.
Trong thí nghiệm mới, được mô tả trong một bài báo xuất bản vào ngày 14 tháng 1 trên tạp chí Nature Photonics, các nhà nghiên cứu đã tạo ra các xung laser nằm trong sự chồng chất giữa hai trạng thái lượng tử có thể. Họ gọi các xung nhỏ là "trạng thái mèo quang bay."
Để chế tạo chúng, trước tiên, họ giới hạn nguyên tử rubidium vào một khoang giữa hai gương chỉ rộng 0,02 inch (0,5 mm) (khoảng chiều rộng của một hạt muối). Nguyên tử có thể ở một trong ba trạng thái: hai trạng thái "mặt đất" hoặc một trạng thái "kích thích". Khi ánh sáng đi vào khoang, nó trở nên vướng víu với nguyên tử, nghĩa là trạng thái của nó được liên kết cơ bản với trạng thái của nguyên tử.
Sau đó, khi xung ánh sáng chạm vào một máy dò ánh sáng, nó có dấu hiệu ở giữa, không hoàn toàn hoạt động giống như nó bị vướng vào một loại nguyên tử này hay nguyên tử khác. Đó là một con mèo bay được tạo ra từ ánh sáng.
Sự xen kẽ đó phải làm với vị trí của sóng ánh sáng, Hacker nói. Sau khi liếc khỏi nguyên tử, ánh sáng tiếp tục di chuyển trong không gian dưới dạng sóng: đồi và thung lũng, đồi và thung lũng.
Nhưng không rõ liệu tại bất kỳ thời điểm nào, sóng ánh sáng đang chạm tới đỉnh đồi hay đi xuống thung lũng, Hacker nói với Live Science.
Ánh sáng hành động như thể nó có ít nhất hai sóng khác nhau tạo thành, mỗi sóng là hình ảnh phản chiếu của sóng kia.
(Trong thực tế, ánh sáng có thể có nhiều hình dạng thậm chí có thể hơn: Sóng của nó luôn có ít nhất một số cơ hội chiếm giữ mọi điểm giữa đỉnh của một "ngọn đồi" và dưới cùng của một "thung lũng." Nhưng hai sóng hình ảnh phản chiếu đại diện cho hai trạng thái không chắc chắn nhất.)
Các nhà nghiên cứu cho biết, trên đường, khả năng gửi mèo di chuyển từ nơi này sang nơi khác có thể hữu ích cho mạng lượng tử. Đó là bởi vì mạng lượng tử có thể sẽ dựa vào việc gửi ánh sáng qua lại giữa các máy tính lượng tử, Hacker nói, thay vì điện.
"Thứ dễ gửi nhất sẽ là các photon đơn lẻ, nhưng khi chúng bị mất, thông tin mang theo của chúng sẽ biến mất", ông nói. "Các trạng thái của mèo có thể mã hóa thông tin lượng tử theo cách cho phép phát hiện mất quang và sửa lỗi cho nó. Mặc dù mọi truyền dẫn quang đều có tổn thất, thông tin có thể được truyền đi một cách hoàn hảo."
Điều đó nói rằng, vẫn còn nhiều việc phải làm. Trong khi các nhà nghiên cứu có thể tạo ra những con mèo "một cách xác định", có nghĩa là một con mèo xuất hiện bất cứ khi nào chúng thực hiện thí nghiệm của chúng, những con mèo không luôn sống sót trong chuyến đi ngắn đến máy thu ánh sáng. Quang học là khó khăn, và đôi khi ánh sáng nháy mắt ra trước khi đến đó.
Ngoài ra, một người hợp lý có thể đặt câu hỏi liệu những xung ánh sáng này có thực sự được tính là mèo của Schrödinger hay không. Chúng chắc chắn là những vật thể cổ điển - có nghĩa là chúng tuân theo quy luật xác định của các vật thể có quy mô lớn - nhưng các nhà nghiên cứu thừa nhận trong bài báo rằng ở quy mô chỉ có bốn photon, tia laser nằm ở rìa của quy mô vĩ mô và lượng tử; và vì vậy chúng có thể được cho là vĩ mô chỉ theo định nghĩa rộng nhất.
"Thật vậy, rất ít photon không có gì gần với một vật thể vĩ mô trong thế giới thực", Hacker nói. "Điểm của các xung quang học kết hợp giống như các xung chúng ta đã sử dụng là, biên độ có thể được tăng lên liên tục mà không có bất kỳ giới hạn cơ bản nào."
Nói cách khác, chắc chắn, đây là một số con mèo nhỏ. Nhưng không có lý do gì mà ý tưởng cơ bản tương tự không thể được sử dụng để tạo ra một số con chó Schrödinger khổng lồ.
Nhưng các nhà nghiên cứu cuối cùng đã tự tin sử dụng thuật ngữ này và "trạng thái mèo bay quang học" thực sự có ý nghĩa với nó.
