Các nhà khoa học tại Đại học Sydney ở Úc và Đại học Basel ở Thụy Sĩ lần đầu tiên chứng minh khả năng xác định và điều khiển một số lượng nhỏ các photon tương tác (các gói năng lượng ánh sáng) có mối tương quan cao. Thành tựu chưa từng có này là một cột mốc quan trọng trong sự phát triển của công nghệ lượng tử. Bài báo nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature Vật lý vào ngày 20/3.
Các photon liên kết với nhau sau khi tương tác với các nguyên tử nhân tạo (họa sĩ ý tưởng). Tín dụng hình ảnh: Đại học Basel, Thụy Sĩ
Khái niệm phát xạ kích thích do Einstein đề xuất năm 1916 đã đặt nền móng cho sự xuất hiện của laser. Trong nghiên cứu mới, các nhà khoa học đã quan sát thấy sự phát xạ kích thích của các photon đơn lẻ. Cụ thể, họ đã đo thời gian trễ trực tiếp giữa một photon và một cặp photon liên kết tán xạ từ một chấm lượng tử đơn lẻ. Một chấm lượng tử là một nguyên tử được tạo ra một cách nhân tạo.
Các nhà nghiên cứu cho biết điều này mở ra cánh cửa để thao túng cái gọi là "ánh sáng lượng tử". Đồng thời, nghiên cứu khoa học cơ bản này mở đường cho những tiến bộ trong kỹ thuật đo lường tăng cường lượng tử và điện toán lượng tử quang tử.
Cách ánh sáng tương tác với vật chất đang thu hút ngày càng nhiều nghiên cứu, chẳng hạn như giao thoa kế sử dụng ánh sáng để đo những thay đổi nhỏ về khoảng cách. Tuy nhiên, các định luật cơ học lượng tử đặt ra các giới hạn về độ nhạy của các thiết bị như vậy: giữa độ nhạy của phép đo và số lượng photon trung bình trong thiết bị đo.
Các nhà nghiên cứu cho biết thiết bị do họ chế tạo tạo ra tương tác mạnh giữa các photon, cho phép họ thấy sự khác biệt giữa một photon và hai photon tương tác với nó. Họ thấy rằng một photon bị trễ lâu hơn hai photon. Với tương tác photon-photon rất mạnh này, hai photon trở nên vướng víu trong trạng thái được gọi là trạng thái liên kết hai photon.
Ưu điểm của ánh sáng lượng tử như thế này là về nguyên tắc, nó sẽ cho phép các phép đo nhạy hơn ở độ phân giải cao hơn sử dụng ít photon hơn. Điều này rất quan trọng đối với các ứng dụng trong kính hiển vi sinh học, đặc biệt khi cường độ ánh sáng có thể làm hỏng các mẫu và các đặc điểm mà các nhà khoa học cần quan sát là đặc biệt nhỏ.
Các nhà nghiên cứu cho biết bằng cách chứng minh rằng các trạng thái liên kết của photon có thể được xác định và điều khiển, nghiên cứu mới thực hiện một bước quan trọng đầu tiên hướng tới việc đưa ánh sáng lượng tử vào sử dụng thực tế. Đồng thời, nguyên tắc tương tự có thể được áp dụng để phát triển các thiết bị hiệu quả hơn nhằm cung cấp các trạng thái liên kết photon, sẽ có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu sinh học, sản xuất tiên tiến, xử lý thông tin lượng tử và các lĩnh vực khác.
Ánh sáng là một khoa học vĩ đại. Điều quan trọng đối với khoa học hiện đại là nghiên cứu cách ánh sáng truyền qua không gian vũ trụ rộng lớn, hoặc nghiên cứu cách ánh sáng vi mô thể hiện lưỡng tính sóng-hạt. Có sự hiểu biết và thao tác với ánh sáng, có công nghệ hiện đại, có mạng cáp quang và thiết bị điện tử quen thuộc với chúng ta. Ngày nay, các nhà nghiên cứu đã điều khiển thành công ánh sáng lượng tử, đây được coi là một cột mốc quan trọng trong sự phát triển của công nghệ lượng tử. Việc kiểm soát chính xác thế giới lượng tử luôn có thể kích thích khát khao khám phá vô tận của các nhà khoa học, thành tựu này cũng có thể giúp ngành công nghiệp khám phá tiềm năng của các thiết bị lượng tử liên quan, có thể đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực từ nghiên cứu sinh học đến xử lý thông tin lượng tử.
Khái niệm phát xạ kích thích do Einstein đề xuất năm 1916 đã đặt nền móng cho sự xuất hiện của laser. Trong nghiên cứu mới, các nhà khoa học đã quan sát thấy sự phát xạ kích thích của các photon đơn lẻ. Cụ thể, họ đã đo thời gian trễ trực tiếp giữa một photon và một cặp photon liên kết tán xạ từ một chấm lượng tử đơn lẻ. Một chấm lượng tử là một nguyên tử được tạo ra một cách nhân tạo.
Các nhà nghiên cứu cho biết điều này mở ra cánh cửa để thao túng cái gọi là "ánh sáng lượng tử". Đồng thời, nghiên cứu khoa học cơ bản này mở đường cho những tiến bộ trong kỹ thuật đo lường tăng cường lượng tử và điện toán lượng tử quang tử.
Cách ánh sáng tương tác với vật chất đang thu hút ngày càng nhiều nghiên cứu, chẳng hạn như giao thoa kế sử dụng ánh sáng để đo những thay đổi nhỏ về khoảng cách. Tuy nhiên, các định luật cơ học lượng tử đặt ra các giới hạn về độ nhạy của các thiết bị như vậy: giữa độ nhạy của phép đo và số lượng photon trung bình trong thiết bị đo.
Các nhà nghiên cứu cho biết thiết bị do họ chế tạo tạo ra tương tác mạnh giữa các photon, cho phép họ thấy sự khác biệt giữa một photon và hai photon tương tác với nó. Họ thấy rằng một photon bị trễ lâu hơn hai photon. Với tương tác photon-photon rất mạnh này, hai photon trở nên vướng víu trong trạng thái được gọi là trạng thái liên kết hai photon.
Ưu điểm của ánh sáng lượng tử như thế này là về nguyên tắc, nó sẽ cho phép các phép đo nhạy hơn ở độ phân giải cao hơn sử dụng ít photon hơn. Điều này rất quan trọng đối với các ứng dụng trong kính hiển vi sinh học, đặc biệt khi cường độ ánh sáng có thể làm hỏng các mẫu và các đặc điểm mà các nhà khoa học cần quan sát là đặc biệt nhỏ.
Các nhà nghiên cứu cho biết bằng cách chứng minh rằng các trạng thái liên kết của photon có thể được xác định và điều khiển, nghiên cứu mới thực hiện một bước quan trọng đầu tiên hướng tới việc đưa ánh sáng lượng tử vào sử dụng thực tế. Đồng thời, nguyên tắc tương tự có thể được áp dụng để phát triển các thiết bị hiệu quả hơn nhằm cung cấp các trạng thái liên kết photon, sẽ có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu sinh học, sản xuất tiên tiến, xử lý thông tin lượng tử và các lĩnh vực khác.
Ánh sáng là một khoa học vĩ đại. Điều quan trọng đối với khoa học hiện đại là nghiên cứu cách ánh sáng truyền qua không gian vũ trụ rộng lớn, hoặc nghiên cứu cách ánh sáng vi mô thể hiện lưỡng tính sóng-hạt. Có sự hiểu biết và thao tác với ánh sáng, có công nghệ hiện đại, có mạng cáp quang và thiết bị điện tử quen thuộc với chúng ta. Ngày nay, các nhà nghiên cứu đã điều khiển thành công ánh sáng lượng tử, đây được coi là một cột mốc quan trọng trong sự phát triển của công nghệ lượng tử. Việc kiểm soát chính xác thế giới lượng tử luôn có thể kích thích khát khao khám phá vô tận của các nhà khoa học, thành tựu này cũng có thể giúp ngành công nghiệp khám phá tiềm năng của các thiết bị lượng tử liên quan, có thể đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực từ nghiên cứu sinh học đến xử lý thông tin lượng tử.
