So với việc viết nguệch ngoạc các biểu thức toán học cho các trạng thái lượng tử vướng víu trên một tờ giấy, việc tạo ra sự vướng víu thực sự là một nhiệm vụ khó khăn. Trong phòng thí nghiệm, các nhà vật lý chỉ có thể khẳng định một trạng thái lượng tử đã chuẩn bị sẵn là bị vướng víu sau khi nó vượt qua bài kiểm tra xác minh sự vướng víu, và tất cả các chiến lược thử nghiệm thông thường đều có một nhược điểm lớn: chúng phá hủy sự vướng víu trong quá trình chứng nhận nó. Điều này có nghĩa là, sau khi được chứng nhận, những người thử nghiệm phải chuẩn bị lại hệ thống ở trạng thái tương tự nếu họ muốn sử dụng nó – nhưng điều này giả định rằng họ tin tưởng nguồn của mình sẽ tạo ra cùng một trạng thái một cách đáng tin cậy mỗi lần.

Trong một nghiên cứu mới, các nhà vật lý do Hyeon-Jin Kim dẫn đầu từ Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Hàn Quốc (KAIST) đã tìm ra cách giải quyết giả định về niềm tin này. Họ đã thực hiện điều này bằng cách cải tiến các chiến lược chứng nhận vướng víu thông thường (EC) theo cách ngăn chặn việc phá hủy hoàn toàn vướng víu ban đầu, giúp có thể khôi phục nó (mặc dù với xác suất <1) cùng với chứng nhận của nó.

Một trạng thái bí ẩn với một định nghĩa chính xác

Sự vướng víu, nghe có vẻ bí ẩn, có một định nghĩa rất chính xác trong cơ học lượng tử. Theo lý thuyết lượng tử, các hệ thống tổng hợp (nghĩa là hai hoặc nhiều hệ thống được coi là một đơn vị chung) có thể tách rời hoặc vướng víu. Trong một hệ thống có thể tách rời, như tên gợi ý, mỗi hệ thống con có thể được gán một trạng thái độc lập. Tuy nhiên, trong một hệ thống vướng víu, điều này là không thể vì các hệ thống con không thể được coi là độc lập; như câu châm ngôn, “toàn bộ lớn hơn các bộ phận của nó”. Sự vướng víu đóng một vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm truyền thông lượng tử, tính toán lượng tử và chứng minh lý thuyết lượng tử khác với lý thuyết cổ điển như thế nào. Do đó, việc có thể xác minh nó là bắt buộc.

Trong tác phẩm mới nhất mà họ mô tả trong Những tiến bộ khoa học, Kim và các đồng nghiệp đã nghiên cứu các thử nghiệm EC liên quan đến nhiều qubit – những hệ lượng tử đơn giản nhất có thể. Thông thường, có ba chiến lược EC. Đầu tiên, được gọi là chứng kiến, áp dụng cho các tình huống thử nghiệm trong đó hai (hoặc nhiều) thiết bị thực hiện phép đo trên mỗi hệ thống con hoàn toàn đáng tin cậy. Trong trường hợp thứ hai, được gọi là điều khiển, một trong các thiết bị được tin cậy hoàn toàn, còn thiết bị kia thì không. Chiến lược thứ ba, được gọi là tính phi định vị của Bell, được áp dụng khi không có thiết bị nào đáng tin cậy. Đối với mỗi chiến lược này, người ta có thể rút ra các bất đẳng thức mà nếu bị vi phạm sẽ chứng nhận sự vướng víu.

Đo lường yếu là chìa khóa

Kim và các đồng nghiệp đã điều chỉnh lại các chiến lược này theo cách giúp họ có thể khôi phục chứng nhận sau vướng mắc ban đầu. Chìa khóa thành công của họ là một quá trình được gọi là đo lường yếu.

Trong cơ học lượng tử, phép đo là bất kỳ quá trình nào thăm dò một hệ lượng tử để thu được thông tin (dưới dạng số) từ nó và lý thuyết mô hình hóa các phép đo theo hai cách: phép đo xạ ảnh hoặc phép đo “mạnh” và phép đo không xạ ảnh hoặc phép đo “yếu”. Các chiến lược EC thông thường sử dụng các phép đo xạ ảnh, trích xuất thông tin bằng cách chuyển đổi từng hệ thống con thành một trạng thái độc lập sao cho trạng thái chung của hệ thống tổng hợp trở nên có thể tách rời - nói cách khác, nó hoàn toàn mất đi sự vướng víu. Ngược lại, các phép đo yếu không làm xáo trộn các hệ thống con một cách mạnh mẽ, do đó các hệ thống con vẫn bị vướng víu – mặc dù chi phí trích xuất thông tin ít hơn so với các phép đo xạ ảnh.

Nhóm đã giới thiệu một tham số kiểm soát cường độ đo lường trên từng hệ thống con và rút ra lại bất đẳng thức chứng nhận để kết hợp các tham số này. Sau đó, họ liên tục chuẩn bị hệ thống qubit của mình ở trạng thái được chứng nhận và đo lường giá trị đơn vị phụ cố định (phép đo yếu) của các tham số. Sau tất cả các lần lặp lại, họ đã thu thập số liệu thống kê để kiểm tra xem có vi phạm sự bất bình đẳng về chứng nhận hay không. Sau khi xảy ra vi phạm, nghĩa là trạng thái bị vướng víu, họ đã triển khai thêm các phép đo yếu phù hợp có cùng cường độ trên cùng các hệ thống con để khôi phục trạng thái vướng víu ban đầu với một số xác suất R (cho “sự đảo ngược”).

Nâng cao giả định về niềm tin

Các nhà vật lý cũng chứng minh đề xuất lý thuyết này trên một thiết lập quang tử gọi là giao thoa kế Sagnac. Đối với mỗi chiến lược trong số ba chiến lược, họ đã sử dụng một thiết lập Sagnac điển hình cho hệ thống hai phần mã hóa sự vướng víu vào trạng thái phân cực của hai photon. Điều này liên quan đến việc giới thiệu một số thiết bị quang học tuyến tính nhất định để kiểm soát cường độ đo và cài đặt để chứng nhận và truy xuất thêm trạng thái ban đầu.

Đúng như dự đoán, họ nhận thấy rằng khi cường độ đo tăng lên, khả năng đảo ngược R đi xuống và mức độ vướng mắc giảm xuống, trong khi mức độ chứng nhận (thước đo mức độ vi phạm sự bất bình đẳng trong chứng nhận) cho mỗi trường hợp lại tăng lên. Điều này ngụ ý sự tồn tại của một “điểm ngọt” về cường độ đo lường sao cho mức chứng nhận vẫn ở mức cao mà không mất đi quá nhiều sự vướng víu và do đó có khả năng đảo ngược.

Trong một thử nghiệm lý tưởng, nguồn vướng víu sẽ được tin cậy để chuẩn bị cùng một trạng thái trong mỗi lần lặp và phá hủy sự vướng víu để chứng nhận nó là lành tính. Nhưng một nguồn thực tế có thể không bao giờ luôn tạo ra trạng thái vướng víu hoàn hảo, điều quan trọng là phải lọc ra sự vướng víu hữu ích ngay sau khi nó được chuẩn bị. Nhóm KAIST đã chứng minh điều này bằng cách áp dụng sơ đồ của họ cho một nguồn ồn tạo ra hỗn hợp nhiều qubit của trạng thái vướng víu và trạng thái có thể tách rời như một hàm của thời gian. Bằng cách sử dụng các phép đo yếu ở các bước thời gian khác nhau và kiểm tra giá trị của nhân chứng, đội nghiên cứu đã chứng nhận và phục hồi sự vướng víu khỏi hỗn hợp, loại bỏ giả định về độ tin cậy và sử dụng nó thêm cho thí nghiệm phi định xứ Bell.

• 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/weak-measurement-lets-quantum-physicists-have-their-cake-and-eat-it/