Một giao thức kiểm tra bản chất lượng tử của các vật thể lớn – về nguyên tắc, có thể hoạt động đối với các vật thể có khối lượng bất kỳ – đã được các nhà nghiên cứu ở Anh và Ấn Độ đề xuất. Một tính năng chính của giao thức là loại bỏ nhu cầu tạo ra trạng thái lượng tử vĩ mô để kiểm tra xem cơ học lượng tử có hợp lệ ở quy mô lớn hay không. Tuy nhiên, một số nhà vật lý không tin rằng nghiên cứu này tạo nên một tiến bộ đáng kể.

Cơ học lượng tử thực hiện một công việc tuyệt vời trong việc mô tả các nguyên tử, phân tử và các hạt hạ nguyên tử như electron. Tuy nhiên, những vật thể lớn hơn thường không thể hiện hành vi lượng tử như sự vướng víu và sự chồng chất. Điều này có thể được giải thích dưới dạng mất kết hợp lượng tử, xảy ra khi các trạng thái lượng tử mỏng manh tương tác với môi trường ồn ào. Điều này làm cho các hệ vĩ mô hoạt động theo vật lý cổ điển.

Cơ học lượng tử bị phá vỡ như thế nào ở quy mô vĩ mô không chỉ hấp dẫn về mặt lý thuyết mà còn rất quan trọng đối với nỗ lực phát triển một lý thuyết dung hòa cơ học lượng tử với thuyết tương đối rộng của Albert Einstein. Do đó, các nhà vật lý rất quan tâm đến việc quan sát hành vi lượng tử ở những vật thể ngày càng lớn hơn.

Thử thách ghê gớm

Việc tạo ra các trạng thái lượng tử vĩ mô và bảo toàn chúng đủ lâu để quan sát hành trạng lượng tử của chúng là một thách thức ghê gớm khi xử lý các vật thể lớn hơn nhiều so với nguyên tử hoặc phân tử bị giữ trong bẫy. Thật vậy, sự vướng víu lượng tử của các mặt trống vĩ mô đang dao động (mỗi mặt có kích thước 10 micron) của hai nhóm độc lập – một ở Hoa Kỳ và một ở Phần Lan – đã được chọn là Thế giới Vật lý đột phá của năm 2021 cho năng lực thực nghiệm của các đội.

Giao thức mới được lấy cảm hứng từ bất đẳng thức Leggett-Garg. Đây là một biến thể của bất đẳng thức Bell, nó đánh giá liệu hai vật có bị vướng víu cơ học lượng tử hay không từ mối tương quan giữa các phép đo trạng thái của chúng. Nếu bất đẳng thức Bell bị vi phạm, thì các phép đo có mối tương quan tốt đến mức, nếu trạng thái của chúng độc lập, thông tin sẽ phải truyền đi nhanh hơn ánh sáng giữa các vật thể. Bởi vì truyền thông siêu âm được cho là không thể, nên một sự vi phạm được hiểu là bằng chứng của sự vướng víu lượng tử.

Bất đẳng thức Leggett-Garg áp dụng nguyên tắc tương tự cho các phép đo tuần tự của cùng một vật thể. Một thuộc tính của đối tượng trước tiên được đo theo cách – nếu nó là một đối tượng cổ điển (không lượng tử) – thì không xâm lấn. Sau đó, một phép đo khác được thực hiện. Nếu đối tượng là một thực thể cổ điển thì phép đo đầu tiên không làm thay đổi kết quả của phép đo thứ hai. Tuy nhiên, nếu đối tượng được xác định bởi hàm sóng lượng tử thì chính hành động đo lường sẽ làm nhiễu loạn nó. Kết quả là, mối tương quan giữa các phép đo liên tiếp có thể tiết lộ vật thể tuân theo cơ học cổ điển hay cơ học lượng tử.

Tinh thể nano dao động

Năm 2018, nhà vật lý lý thuyết sougato bose tại Đại học College London và các đồng nghiệp đã đề xuất thực hiện một thử nghiệm như vậy trên một tinh thể nano được làm lạnh dao động tới lui trong một bẫy điều hòa quang học. Vị trí của tinh thể nano sẽ được xác định bằng cách tập trung một chùm ánh sáng vào một bên của bẫy. Nếu ánh sáng truyền qua mà không bị tán xạ thì vật đó nằm ở phía bên kia của bẫy. Bằng cách quan sát cùng phía của bẫy sau này, người ta có thể tính toán liệu bất đẳng thức Leggett-Garg có bị vi phạm hay không. Nếu đúng như vậy, việc không phát hiện được vật thể ban đầu sẽ làm xáo trộn trạng thái lượng tử của nó, và do đó tinh thể nano sẽ biểu hiện hành vi lượng tử.

Vấn đề, Bose nói, là khối lượng phải được đo hai lần ở cùng một phía của bẫy. Điều này chỉ khả thi đối với những khối lượng có chu kỳ dao động ngắn vì trạng thái lượng tử phải duy trì kết hợp trong suốt phép đo. Tuy nhiên, khối lượng lớn người quan tâm sẽ có khoảng thời gian quá dài để việc này có hiệu quả. Nay Bose và các đồng sự đề xuất rằng phép đo thứ hai sẽ được thực hiện tại một địa điểm mà nếu vật tuân theo cơ học cổ điển thì nó được cho là đã đạt tới.

Bose nói: “Sẽ tốt hơn nhiều nếu bạn đi đến nơi nó sẽ đến do dao động bình thường của nó và tìm hiểu xem nó khác biệt như thế nào ở nơi đó”.

Lợi ích của sơ đồ này là, miễn là vật vẫn ở trạng thái kết hợp, thì có thể thực hiện thí nghiệm cho các vật có khối lượng bất kỳ vì luôn có thể tính được vị trí mong đợi của một bộ dao động điều hòa cổ điển. Thật sự việc cô lập vật thể lớn hơn trở nên khó khăn hơn, nhưng Bose tin rằng những trạng thái có vẻ cổ điển này sẽ chống nhiễu mạnh hơn các trạng thái lượng tử vĩ mô kỳ lạ như sự chồng chất.

Theo dõi sự phát triển của hệ thống

nhà vật lý lượng tử Vlatko Vedral của Đại học Oxford đồng ý rằng phương pháp của các nhà nghiên cứu có thể mang lại lợi ích so với các thí nghiệm cố gắng sử dụng các trạng thái lượng tử vĩ mô tách biệt về mặt không gian. Tuy nhiên, ông nói rằng “điều trở nên quan trọng trong các phép đo này không phải là trạng thái ban đầu mà là trình tự các phép đo mà bạn thực hiện” và việc theo dõi sự phát triển của hệ thống sau phép đo đầu tiên để tiết lộ các mối tương quan “không phải là một vấn đề tầm thường chút nào”.

Ông cũng hoài nghi về tuyên bố độc lập của quần chúng. “Tôi không biết trên thực tế việc này có dễ đạt được hay không,” ông nói, “nhưng nó chỉ tương quan với quy mô, bởi vì bạn càng có nhiều hệ thống phụ thì bạn càng có nhiều rò rỉ ra môi trường.”

Tony Leggett (người đồng phát triển bất đẳng thức vào những năm 1980 với Anupam Garg) là một chuyên gia về nền tảng của cơ học lượng tử, người đã cùng nhận giải Nobel năm 2003 cho công trình nghiên cứu về tính siêu dẫn và siêu lỏng. Hiện là giáo sư danh dự tại Đại học Illinois, ông nhận thấy một vấn đề khác trong công việc của Bose và các đồng nghiệp. “Rõ ràng là những nhà nghiên cứu này tin chắc rằng cơ học lượng tử sẽ tiếp tục hoạt động – tôi không tự tin lắm,” ông nói.

Tuy nhiên, Leggett lưu ý rằng bằng chứng về sự sụp đổ của cơ học lượng tử sẽ được hầu hết cộng đồng vật lý giải thích là kết quả của sự mất kết hợp – có thể gây ra bởi một phép đo xâm lấn. Không giống như các thí nghiệm trên các trạng thái đã biết – mà ông là một phần trong đó – ông nói rằng Bose và các đồng nghiệp không trình bày một phương tiện để kiểm tra mức độ xâm lấn của phép đo của họ, chẳng hạn, bằng cách sử dụng cùng một giao thức đo trên một tập hợp trạng thái khác.

Nghiên cứu được mô tả trong một bài báo đã được chấp nhận để xuất bản trong Physical Review Letters. A bản in sẵn có sẵn trên arXiv.

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
• PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
• Trung tâmESG. Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
• PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://physicsworld.com/a/protocol-could-make-it-easier-to-test-the-quantum-nature-of-large-objects/