Thảo Nông
Writer
Các nhà vật lý tại Đại học Illinois Urbana-Champaign (Mỹ) đã phát triển một máy đo giao thoa lượng tử sử dụng các cặp photon "vướng víu", cho phép đo đạc ở quy mô nanomet với độ chính xác chưa từng có, mở ra tiềm năng lớn cho y học, sinh học và kỹ thuật.
Một máy đo giao thoa sử dụng công nghệ lượng tử
Vượt qua giới hạn của các phép đo truyền thống
Hãy tưởng tượng bạn cần đo chiều rộng của một sợi tóc từ khoảng cách hàng trăm mét, hoặc quan sát cấu trúc bên trong một mô mềm sinh học cực kỳ nhạy cảm mà không được phép chạm vào hay chiếu một luồng ánh sáng mạnh có thể gây tổn thương. Những tác vụ tưởng chừng như không thể này từ lâu đã là bài toán nan giải đối với các nhà khoa học. Nguyên nhân là do các thiết bị đo đạc hiện tại thường không đủ độ chính xác và nhạy bén khi ánh sáng thu được quá yếu, mẫu vật cần đo quá mong manh, dễ bị phá hủy, hoặc môi trường xung quanh có quá nhiều nhiễu động.
Giờ đây, một rào cản lớn trong lĩnh vực đo lường vi mô dường như sắp được khai thông. Các nhà vật lý tại Đại học Illinois Urbana-Champaign (UIUC), Hoa Kỳ, đã phát triển thành công một thiết bị hoàn toàn mới, cho phép thực hiện các phép đo đạc với độ chính xác cực cao ở quy mô nanomet, ngay cả trong những điều kiện khó khăn nhất. Nghiên cứu đột phá này vừa được công bố trên tạp chí khoa học uy tín Science Advances, đánh dấu thêm một bước tiến quan trọng của công nghệ lượng tử, từ những khái niệm lý thuyết phức tạp đang dần trở thành những công cụ mạnh mẽ trong thế giới thực.
Máy đo giao thoa lượng tử: Sức mạnh từ các photon "vướng víu"
Thiết bị mới này là một loại máy đo giao thoa lượng tử (quantum interferometer). Về cơ bản, nó hoạt động dựa trên nguyên lý nhiễu xạ ánh sáng, tương tự như các máy đo giao thoa truyền thống. Tuy nhiên, điểm khác biệt cốt lõi và mang tính cách mạng là thay vì sử dụng ánh sáng thông thường, thiết bị này sử dụng các cặp photon được "vướng víu lượng tử" (quantum-entangled photons). Chính nhờ đặc tính kỳ lạ này của thế giới lượng tử, thiết bị có thể tạo ra các tín hiệu đo lường rõ nét hơn, mạnh mẽ hơn và đặc biệt là ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu từ môi trường xung quanh, theo Interesting Engineering.
Với máy đo giao thoa truyền thống, thiết bị sẽ chia một chùm ánh sáng làm hai: một chùm đi qua mẫu vật cần đo, chùm còn lại đi theo một đường chuẩn để làm tham chiếu. Khi hai chùm sáng này gặp lại nhau, chúng sẽ tạo ra một hình ảnh giao thoa – tương tự như khi hai gợn sóng va chạm vào nhau trên mặt nước. Cách mà những sóng ánh sáng này cộng hưởng hay triệt tiêu lẫn nhau sẽ tiết lộ những thay đổi cực kỳ nhỏ trong mẫu vật, chẳng hạn như độ dày, khoảng cách hay những dao động vi tế. Phương pháp này đã được ứng dụng thành công trong nhiều lĩnh vực, từ việc phát hiện sóng hấp dẫn trong vũ trụ cho đến việc kiểm tra võng mạc mắt người. Tuy nhiên, nó thường gặp khó khăn trong các môi trường có ánh sáng nền quá mạnh, quá nhiều nhiễu, hoặc khi mẫu vật cần đo quá yếu, dễ bị hư hại nếu bị chiếu sáng mạnh.
Đó chính là lúc máy đo giao thoa lượng tử cho thấy lợi thế vượt trội của mình. Trong thiết kế mới này, nhóm nghiên cứu tại UIUC sử dụng các cặp photon lượng tử có liên kết đặc biệt với nhau. Một photon trong cặp sẽ đi qua mẫu vật, trong khi photon còn lại sẽ đi qua đường tham chiếu. Khi cả hai photon này được các cảm biến phát hiện một cách đồng thời, chúng sẽ tạo ra một tín hiệu giao thoa cực kỳ rõ ràng và có độ tương phản cao, ngay cả khi một phần ánh sáng đi qua mẫu vật đã bị hấp thụ hoặc môi trường xung quanh không hề lý tưởng. Theo nhà nghiên cứu Colin Lualdi, một thành viên của nhóm, chỉ cần phát hiện được đúng cặp photon "vướng víu", tín hiệu giao thoa sẽ giữ nguyên được độ tương phản vốn có – một điều mà các máy đo giao thoa sử dụng ánh sáng thông thường không thể làm được.
"Vướng víu màu sắc cực đại" tăng cường độ nhạy
Để tăng cường hơn nữa độ nhạy của thiết bị, nhóm nghiên cứu còn sử dụng một kỹ thuật tiên tiến gọi là "vướng víu màu sắc cực đại" (maximally color-entangled). Kỹ thuật này liên quan đến việc ghép cặp hai photon có màu sắc (tức là bước sóng) rất khác nhau, ví dụ một photon màu đỏ và một photon màu xanh dương, thay vì chỉ chênh lệch chút ít về màu sắc như trong một số phương pháp khác. Nhờ đó, thiết bị có thể đo được những thay đổi cực kỳ nhỏ với độ chính xác rất cao mà không cần phải sử dụng đến nguồn sáng mạnh có thể gây hại cho mẫu vật, hoặc phải xử lý một dải màu rộng phức tạp.
Kết quả thử nghiệm ấn tượng và tiềm năng ứng dụng
Kết quả thử nghiệm ban đầu của máy đo giao thoa lượng tử này rất đáng chú ý. Thiết bị đã có thể đo được độ dày của một lớp màng kim loại siêu mỏng chỉ trong vòng vài giây, và kết quả thu được hoàn toàn trùng khớp với phương pháp đo bằng kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) – một công cụ đo lường cực kỳ chính xác thường chỉ có trong các phòng thí nghiệm chuyên sâu. Điều này chứng minh rằng máy đo giao thoa lượng tử mới có thể hoạt động một cách nhanh chóng, chính xác và đặc biệt là an toàn đối với các mẫu vật nhạy cảm, dễ bị tổn thương.
Công nghệ đột phá này mở ra tiềm năng ứng dụng vô cùng lớn trong nhiều lĩnh vực khác nhau:
#côngnghệlượngtử
Một máy đo giao thoa sử dụng công nghệ lượng tử
Vượt qua giới hạn của các phép đo truyền thống
Hãy tưởng tượng bạn cần đo chiều rộng của một sợi tóc từ khoảng cách hàng trăm mét, hoặc quan sát cấu trúc bên trong một mô mềm sinh học cực kỳ nhạy cảm mà không được phép chạm vào hay chiếu một luồng ánh sáng mạnh có thể gây tổn thương. Những tác vụ tưởng chừng như không thể này từ lâu đã là bài toán nan giải đối với các nhà khoa học. Nguyên nhân là do các thiết bị đo đạc hiện tại thường không đủ độ chính xác và nhạy bén khi ánh sáng thu được quá yếu, mẫu vật cần đo quá mong manh, dễ bị phá hủy, hoặc môi trường xung quanh có quá nhiều nhiễu động.
Giờ đây, một rào cản lớn trong lĩnh vực đo lường vi mô dường như sắp được khai thông. Các nhà vật lý tại Đại học Illinois Urbana-Champaign (UIUC), Hoa Kỳ, đã phát triển thành công một thiết bị hoàn toàn mới, cho phép thực hiện các phép đo đạc với độ chính xác cực cao ở quy mô nanomet, ngay cả trong những điều kiện khó khăn nhất. Nghiên cứu đột phá này vừa được công bố trên tạp chí khoa học uy tín Science Advances, đánh dấu thêm một bước tiến quan trọng của công nghệ lượng tử, từ những khái niệm lý thuyết phức tạp đang dần trở thành những công cụ mạnh mẽ trong thế giới thực.
Máy đo giao thoa lượng tử: Sức mạnh từ các photon "vướng víu"
Thiết bị mới này là một loại máy đo giao thoa lượng tử (quantum interferometer). Về cơ bản, nó hoạt động dựa trên nguyên lý nhiễu xạ ánh sáng, tương tự như các máy đo giao thoa truyền thống. Tuy nhiên, điểm khác biệt cốt lõi và mang tính cách mạng là thay vì sử dụng ánh sáng thông thường, thiết bị này sử dụng các cặp photon được "vướng víu lượng tử" (quantum-entangled photons). Chính nhờ đặc tính kỳ lạ này của thế giới lượng tử, thiết bị có thể tạo ra các tín hiệu đo lường rõ nét hơn, mạnh mẽ hơn và đặc biệt là ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu từ môi trường xung quanh, theo Interesting Engineering.
Với máy đo giao thoa truyền thống, thiết bị sẽ chia một chùm ánh sáng làm hai: một chùm đi qua mẫu vật cần đo, chùm còn lại đi theo một đường chuẩn để làm tham chiếu. Khi hai chùm sáng này gặp lại nhau, chúng sẽ tạo ra một hình ảnh giao thoa – tương tự như khi hai gợn sóng va chạm vào nhau trên mặt nước. Cách mà những sóng ánh sáng này cộng hưởng hay triệt tiêu lẫn nhau sẽ tiết lộ những thay đổi cực kỳ nhỏ trong mẫu vật, chẳng hạn như độ dày, khoảng cách hay những dao động vi tế. Phương pháp này đã được ứng dụng thành công trong nhiều lĩnh vực, từ việc phát hiện sóng hấp dẫn trong vũ trụ cho đến việc kiểm tra võng mạc mắt người. Tuy nhiên, nó thường gặp khó khăn trong các môi trường có ánh sáng nền quá mạnh, quá nhiều nhiễu, hoặc khi mẫu vật cần đo quá yếu, dễ bị hư hại nếu bị chiếu sáng mạnh.
Đó chính là lúc máy đo giao thoa lượng tử cho thấy lợi thế vượt trội của mình. Trong thiết kế mới này, nhóm nghiên cứu tại UIUC sử dụng các cặp photon lượng tử có liên kết đặc biệt với nhau. Một photon trong cặp sẽ đi qua mẫu vật, trong khi photon còn lại sẽ đi qua đường tham chiếu. Khi cả hai photon này được các cảm biến phát hiện một cách đồng thời, chúng sẽ tạo ra một tín hiệu giao thoa cực kỳ rõ ràng và có độ tương phản cao, ngay cả khi một phần ánh sáng đi qua mẫu vật đã bị hấp thụ hoặc môi trường xung quanh không hề lý tưởng. Theo nhà nghiên cứu Colin Lualdi, một thành viên của nhóm, chỉ cần phát hiện được đúng cặp photon "vướng víu", tín hiệu giao thoa sẽ giữ nguyên được độ tương phản vốn có – một điều mà các máy đo giao thoa sử dụng ánh sáng thông thường không thể làm được.
"Vướng víu màu sắc cực đại" tăng cường độ nhạy
Để tăng cường hơn nữa độ nhạy của thiết bị, nhóm nghiên cứu còn sử dụng một kỹ thuật tiên tiến gọi là "vướng víu màu sắc cực đại" (maximally color-entangled). Kỹ thuật này liên quan đến việc ghép cặp hai photon có màu sắc (tức là bước sóng) rất khác nhau, ví dụ một photon màu đỏ và một photon màu xanh dương, thay vì chỉ chênh lệch chút ít về màu sắc như trong một số phương pháp khác. Nhờ đó, thiết bị có thể đo được những thay đổi cực kỳ nhỏ với độ chính xác rất cao mà không cần phải sử dụng đến nguồn sáng mạnh có thể gây hại cho mẫu vật, hoặc phải xử lý một dải màu rộng phức tạp.
Kết quả thử nghiệm ấn tượng và tiềm năng ứng dụng
Kết quả thử nghiệm ban đầu của máy đo giao thoa lượng tử này rất đáng chú ý. Thiết bị đã có thể đo được độ dày của một lớp màng kim loại siêu mỏng chỉ trong vòng vài giây, và kết quả thu được hoàn toàn trùng khớp với phương pháp đo bằng kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) – một công cụ đo lường cực kỳ chính xác thường chỉ có trong các phòng thí nghiệm chuyên sâu. Điều này chứng minh rằng máy đo giao thoa lượng tử mới có thể hoạt động một cách nhanh chóng, chính xác và đặc biệt là an toàn đối với các mẫu vật nhạy cảm, dễ bị tổn thương.
Công nghệ đột phá này mở ra tiềm năng ứng dụng vô cùng lớn trong nhiều lĩnh vực khác nhau:
- Trong y học: Nó có thể giúp các bác sĩ quan sát các mô sống, tế bào mà không gây tổn thương, hỗ trợ chẩn đoán bệnh sớm và theo dõi hiệu quả điều trị.
- Trong sinh học: Có thể được sử dụng để nghiên cứu các sinh vật nhạy cảm với ánh sáng như một số loài tảo hoặc vi sinh vật mà không làm thay đổi hành vi tự nhiên của chúng.
- Trong kỹ thuật và khoa học vật liệu: Thiết bị có thể được dùng để giám sát chất lượng vật liệu, kiểm tra các linh kiện điện tử siêu nhỏ hoặc theo dõi các thay đổi cấu trúc ở cấp độ nano, ngay cả trong các môi trường có nhiều nhiễu sáng như ngoài trời.
#côngnghệlượngtử
