Nobel Vật lí 2012

NOBEL VẬT LÍ 2012
SERGE HAROCHE (1944-) VÀ DAVID J. WINELAND (1944-)
Serge Haroche (1944-)
Ngày 9 tháng 10 năm 2012 Viện Khoa học Hoàng gia Thụy Điển thành lập từ năm 1739 quyết định trao tặng Giải Nobel Vật lý năm 2012 cho Serge Haroche tại Cao đẳng Pháp quốc và Đại học Sư phạm (Paris, Pháp) và David J. Wineland tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST) và Đại học Colorado Boulder (CO, Mỹ) “vì những phương pháp thực nghiệm đột phá cho phép đo và thao tác đối với các hệ lượng tử riêng biệt”. [prbreak]... [/prbreak]

David J. Wineland (1944-)

Dáng điệu của các thành phần riêng biệt mà chúng tạo nên thế giới của chúng ta – các nguyên tử (vật chất) và các photon (ánh sáng) – được mô tả bởi cơ học lượng tử. Các hạt này hiếm khi cô lập và thường tương tác mạnh với môi trường của chúng. Dáng điệu của một tập hợp các hạt nói chung khác với dáng điệu của các hạt cô lập và thường có thể được mô tả bởi vật lý cổ điển. Từ lúc bắt đầu lĩnh vực cơ học lượng tử, các nhà vật lý sử dụng các thí nghiệm tưởng tượng để đơn giản hoá Đăng nhập vào bet365_link bet365 khi bị chặn_hướng dẫn đăng ký bet365 toán và để dự đoán dáng điệu của hạt lượng tử đơn.

Trong những năm 1980 và 1990, các phương pháp được phát minh để làm lạnh các ion riêng biệt bị bắt giữ trong một bẫy và để điều khiển trạng thái của chúng nhờ ánh sáng laze. Các ion riêng biệt bây giờ có thể được thao tác và quan sát ở nguyên vị (in situ) bằng cách sử dụng các photon với chỉ tương tác tối thiểu với môi trường. Trong loại thí nghiệm khác, các photon có thể bị bẫy trong một hốc và có thể tiến hành thoa tác chúng. Có thể quan sát chúng mà chúng không bị phá hủy thông qua các tương tác với các nguyên tử trong các thí nghiệm thiết kế khéo léo. Các kỹ thuật này dẫn tới các nghiên cứu tiên phong mà chúng kiểm tra cơ sở của cơ học lượng tử và sự chuyển tiếp giữa thế giới vi mô và thế giới vĩ mô không chỉ trong các thí nghiệm tưởng tượng mà còn trong thực tế. Chúng đã thúc đẩy lĩnh vực tính toán lượng tử cũng như dẫn tới một thế hệ mới của các đồng hồ quang với độ chính xác cao.

Gải thưởng Nobel Vật lý năm 2012 vinh danh các phát minh thực nghiệm cho phép đo và điều khiển các hệ lượng tử riêng biệt. Chúng thuộc về hai công nghệ tách biệt nhưng có liên quan với nhau là các ion trong một bẫy điều hoà và các photon trong một hốc. Có những sự tương tự lý thú giữa hai công nghệ này. Trong cả hai trường hợp, các trạng thái lượng tử được quan sát thấy thông qua các phép đo không phá hủy lượng tử trong đó các hệ hai mức được liên kết với một dao động tử điều hoà lượng tử. Đó là Đăng nhập vào bet365_link bet365 khi bị chặn_hướng dẫn đăng ký bet365 toán được mô tả bởi cái gọi là hàm Hamilton Jaynes – Cummings. Hệ hai mức bao gồm một ion (với hai mức liên kết bởi ánh sáng laze) hoặc một nguyên tử kích thích mạnh (với hai mức Rydberg liên kết bởi một trường vi ba). Dao động tử điều hoà lượng tử mô tả chuyển động của ion trong bẫy hoặc trường vi ba trong hốc.

Giải thưởng Nobel được trao cho những ngưới làm chủ được các hạt. Những người này có khả năng làm cho các hạt riêng biệt bị bẫy xử sự theo các qui luật của vật lý lượng tử.

Serge Haroche và David J. Wineland độc lập với nhau đã phát minh và phát triển các phương pháp để đo và thao tác các hạt riêng biệt trong lúc bảo toàn bản chất cơ học lượng tử của chúng theo các cách mà trước đây người ta nghĩ là không thể đạt tới chúng.

Những người đoạt Giải Nobel Vật lý năm 2012 mở ra một kỷ nguyên mới của vật lý lượng tử thực nghiệm bằng cách chứng minh việc quan sát trực tiếp các hạt lượng tử riêng biệt mà không phá hủy chúng. Các định luật cơ học cổ điển mất tác dụng và vật lý lượng tử chi phối các hạt ánh sáng hoặc hạt vật chất đơn. Nhưng các hạt đơn không dễ dàng bị cô lập với môi trường xung quanh của chúng và chúng mất các tinh chất lượng tử bí ẩn của chúng ngay khi chúng tương tác với thế giới bên ngoài. Khi đó, nhiều hiện tượng có vẻ kỳ cục theo dự đoán của vật lý lượng tử không thể quan sát được một cách trực tiếp và các nhà nghiên cứu chỉ có thể thực hiện “các thực nghiệm tưởng tượng” mà chúng về nguyên tắc có thể biểu hiện các hiện tượng kỳ cục này.
Nhờ các phương pháp thực nghiệm tài tinh, Haroche và Wineland cùng với các nhóm nghiên cứu của mình có khả năng đo và điều khiển các trạng thái lượng tử rất mỏng manh mà trước đây người ta nghĩ là không thể tiếp cận tới chúng đối với quan sát trực tiếp. Các phương pháp mới cho phép họ kiểm tra, điều khiển và đếm các hạt.

Các phương pháp của họ có nhiều điểm chung. David Wineland bẫy nguyên tử tích điện hay các ion, điều khiển và đo chúng với ánh sáng hay các photon.

Serge Haroche theo cách tiếp cận ngược lại: ông điều khiển và đo các photon hay các hạt ánh sáng bị bẫy bằng cách gửi các nguyên tử qua một bẫy.

Cả hai người đoạt Giải Nobel làm việc trong lĩnh vực quang lượng tử và họ nghiên cứu tương tác cơ bản giữa ánh sáng và vật chất. Quang lượng tử có những tiến bộ đáng kể từ giữa những năm 1980. Các phương pháp thực nghiệm đột phá của họ cho phép lĩnh vực nghiên cứu này đạt được những bước đi đầu tiên hướng tới một loại máy tinh cực nhanh mới trên cơ sở vật lý lượng tử. Có lẽ máy tinh lượng tử sẽ thay đổi cuộc sống hàng ngày của chúng ta trong thế kỷ này theo cùng một cách căn bản giống như máy tinh cổ điển đã làm trong thế kỷ trước. Nghiên cứu cũng dẫn tới việc chế tạo các đồng hồ cực kỳ chính xác mà chúng có thể trở thành cơ sở tương lai cho một chuẩn mới của thời gian với độ chính xác lớn hơn 100 lần so với các đồng hồ chính xác nhất hiện nay là các đồng hồ xesi (Cs).

Serge Haroche là công dân Pháp sinh năm 1944 tại Casablanca (Morocco). Ông bảo vệ luận án Tiến sĩ năm 1971 tại Đại học Pierre và Marie Curie (Paris, Pháp). Ông là giáo sư tại Cao đẳng Pháp quốc và Đại học Sư phạm (Paris, Pháp).

David J. Wineland là công dân Mỹ sinh năm 1944 tại Milwaukee (WI, Mỹ). Ông bảo vệ luận án Tiến sĩ tại Đại học Havard ở Cambridge (MA, Mỹ). Ông là Trưởng nhóm nghiên cứu và thành viên Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia NIST và Đại học Colorado Boulder (CO, Mỹ).

Trong phòng thí nghiệm của David Wineland ở Boulder (Colorado), các nguyên tử tích điện hay các ion bị giữ trong một bẫy với các điện trường bao quanh chúng. Các hạt bị cô lập với nhiệt và bức xạ trong môi trường của chúng bằng cách tiến hành các thực nghiệm trong chân không tại các nhiệt độ cực thấp.
Một trong các bí mật trong khám phá của Wineland là việc làm chủ nghệ thuật sử dụng chùm laze và tạo ra xung laze. Một laze được dùng để triệt chuyển động nhiệt của ion trong bẫy, đưa ion vào trong trạng thái năng lượng thấp nhất của nó và điều đó cho phép nghiên cứu các hiện tượng lượng tử với ion bị bẫy. Có thể sử dụng một xung laze điều hưởng cẩn thận để đưa ion vào trong một trạng thái chồng chập mà nó là sự tồn tại đồng thời của hai trạng thái khác nhau rõ rệt. Chẳng hạn như có thể tạo ra ion chiếm giữ hai mức năng lượng khác nhau một cách đồng thời. Ion bắt đầu ở một mức năng lượng thấp nhất và xung laze chỉ đẩy ion giữa đường hướng tới một mức năng lượng cao hơn sao cho nó ở bên trái khoảng giữa hai mức trong một sự chồng chập của các trạng thái năng lượng với một xác suất kết thúc ở trạng thái này bằng xác suất kết thúc ở trạng thái kia. Bằng cách đó có thể nghiên cứu một sự chồng chập lượng tử đối với các trạng thái năng lượng của ion.

Serge Haroche và nhóm nghiên cứu của ông sử dụng một phương pháp khác để tìm hiểu các bí ẩn của thế giới lượng tử. Trong phòng thí nghiệm ở Paris, các photon vi ba nẩy qua lại bên trong một hốc nhỏ giữa hai gương cách xa nhau khoảng 3 cm. Các gương làm bằng vật liệu siêu dẫn và được làm lạnh tới một nhiệt độ ngay trên không độ tuyệt đối. Các gương siêu dẫn này là các gương sáng bóng nhất thế giới. Các gương phản xạ ánh sáng sao cho một photon đơn có thể nẩy qua lại bên trong hốc trong khoảng gần 1/ 10 giây trước khi nó mất đi hay bị hấp thụ. Thời gian sống lâu kỷ lục này có nghĩa là photon sẽ đi được quãng đường dài 40 000 km gần tương đương với một chuyến đi vòng quanh Trái Đất.

Trong thời gian sống lâu của phonton như vậy, có thể tiến hành nhiều thao tác lượng tử với photon bị bẫy. Haroche sử dụng các nguyên tử được chế tạo đặc biệt gọi là các nguyên tử Rydberg (mang tên của nhà Vật lý Thụy Điển Johannes Rydberg) để điều khiển và đo photon viba ở trong hốc. Một nguyên tử Rydberg có bán kính khoảng 125 nm mà nó lớn hơn gần 1000 lần so với các nguyên tử thông thường. Các nguyên tử Rydberg dạng bánh rán khổng lồ này được gửi từng nguyên tử một vào trong hốc tại một tốc độ lựa chọn cẩn thận sao cho tương tác với photon vi ba xảy ra theo một cách điều khiển tốt.

Nguyên tử Rydberg đi ngang qua hốc và thoát khỏi hốc. Nó để lại photon vi ba phía sau. Nhưng tương tác giữa photon và nguyên tử sinh ra sự thay đổi pha trạng thái của nguyên tử: nếu ta nghĩ trạng thái lượng tử của nguyên tử như một sóng, các đỉnh và độ nghiêng của sóng bị dịch đi. Sự dịch pha này có thể đo được khi nguyên tử thoát khỏi hốc và bằng cách đó có thể phát hiện sự có mặt hoặc vắng mặt của một photon bên trong hốc. Không có photon thì không có sự dịch pha. Haroche khi đó có thể đo một photon đơn mà không phá hủy nó.

Với một phương pháp tương tự, Haroche và nhóm của ông có thể đếm được các photon bên trong hốc giống như một đứa trẻ đếm các bi trong một bát. Điều này nghe có vẻ dễ dàng nhưng đòi hỏi kỹ năng và sự khéo léo đặc biệt do các photon không giống như các bi thông thường vì chúng bị phá hủy ngay bởi tiếp xúc với thế giới bên ngoài. Dựa trên các phương pháp đếm photon của mình, Haroche và các cộng tác viên đã nghĩ ra các phương pháp theo dõi sự tiến triển từng bước một của một trạng thái lượng tử riêng biệt trong thời gian thực.

Cơ học lượng tử mô tả một thế giới vi mô không nhìn thấy được đối với mắt trần mà ở đó các sự kiện xảy ra ngược với kì vọng và kinh nghiệm của chúng ta đối với các hiện tượng vật lý trong thế giới vĩ mô cổ điển. Vật lý trong thế giới lượng tử có một sự bất định vốn có nào đó hay sự ngẫu nhiên đối với nó. Một ví dụ của dáng điệu trái ngược này là sự chồng chập mà ở đó một hạt lượng tử có thể ở một vài trạng thái khác nhau một cách đồng thời. Thông thường ta không nghĩ là một bi ở cả chỗ này và chỗ kia cùng một lúc nhưng điều này xảy ra nếu đó là một bi lượng tử. Trạng thái chồng chập của bi lượng tử nói cho ta chính xác xác suất mà bi có khi ở chỗ này hoặc chỗ kia nếu mà ta xác định được chính xác nó ở đâu.

Tại sao ta không bao giờ nhận biết được các khía cạnh kỳ lạ này trong thế giới của chúng ta? Tại sao ta không thể quan sát thấy sự chồng chập của bi lượng tử trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta? Nhà Vật lý người Áo đoạt Giải Nobel Vật lý năm 1933 Erwin Schrodinger đã vật lộn với câu hỏi này. Giống như nhiều người tiên phong khác của lý thuyết lượng tử, ông cố gắng hiểu và giải thích các ẩn ý của nó. Cuối năm 1952, ông viết: “Chúng ta không bao giờ làm thí nghiệm được với một electron, một nguyên tử hoặc một phân tử (nhỏ). Trong các thí nghiệm tưởng tượng, đôi khi chúng ta giả định rằng ta làm được; điều này luôn luôn đòi hỏi các hệ quả nực cười…”.

Để minh họa các hệ quả vô lý của chuyển động giữa thế giới vi mô của vật lý lượng tử và thế giới vĩ mô hàng ngày của chúng ta, Schrodinger mô tả một thí nghiệm tưởng tượng với một con mèo. Con mèo của Schrodinger ở bên trong một hộp cô lập hoàn toán với thế giới bên ngoài. Hộp cũng chứa một bình xyanua gây chết mà nó chỉ được bỏ đi sau sự phân rã của nguyên tử phóng xạ nào đó cũng ở bên trong hộp. Sự phân rã phóng xạ bị chi phối bởi các định luật của cơ học lượng tử mà nhờ đó, vật liệu phóng xạ ở trong một trạng thái chồng chập của cả cái đã phóng xạ và cái chưa phóng xạ. Do đó, mèo cũng cần phải ở trong trạng thái chồng chập của sự chết và sự sống. Bây giờ nếu bạn nhìn trộm vào trong hộp, bạn có nguy cơ phải giết chết mèo bởi vì sự chồng chập lượng tử nhạy với tương tác với môi trường đến mức một cố gắng nhỏ nhất để quan sát mèo sẽ ngày lập tức làm “suy sụp” “trạng thái của mèo” tới một trong hai kết quả có thể có là sự sống và sự chết. Theo quan điểm của Schrodinger, thí nghiệm tưởng tượng này dẫn tới một kết luận vô lý và sau đó ông đã cố gắng xin lỗi vì thêm vào sự lầm lẫn lượng tử.

Cả hai người đoạt Giải Nobel Vật lý năm 2012 có khả năng xếp đặt trạng thái mèo lượng tử khi nó gặp thế giới bên ngoài. Họ đã nghĩ ra các thí nghiệm sáng tạo và tìm được cách chứng tỏ ở mức độ rất chi tiết làm thế nào để tác dụng đo thực tế làm cho trạng thái lượng tử suy sụp và mất đặc tinh chồng chập của nó. Thay cho con mèo của Schrodinger, Haroche và Wineland bẫy các hạt lượng tử và đưa chúng vào các trạng thái chồng chập giống như mèo. Các đối tượng lượng tử này thực ra không phải là các đối tượng vĩ mô giống như mèo nhưng chúng còn khá lớn bởi các chuẩn lượng tử.

Bên trong hốc của Haroche, các photon vi ba được đưa vào các trạng thái giống mèo với các pha ngược nhau cùng lúc giống như một đồng hồ bấm giờ với một kim xoay tròn theo chiều kim đồng hồ và ngược chiều kim đồng hồ một cách đồng thời. Trường vi ba bên trong hốc khi đó được dò với các nguyên tử Rydberg. Kết quả là hiệu ứng lượng tử không thể hiểu được khác gọi là sự vướng víu. Sự vướng víu cũng đã được mô tả bởi Erwin Schrodinger và có thể xảy ra giữa hai hoặc nhiều hạt lượng tử hơn mà chúng không có tiếp xúc trực tiếp nhưng còn có thể đọc được và ảnh hưởng đến các tinh chất của nhau. Sự vướng víu của trường vi ba và các nguyên tử Rydberg cho phép Haroche sắp xếp sự sống và cái chết của trạng thái giống mèo bên trong hốc của mình, theo nó từng buớc một và từng nguyên tử một giống như nó trải qua một sự chuyển tiếp từ sự chồng chập lượng tử của các trạng thái tới một trạng thái xác định của vật lý cổ điển.

Một ứng dụng khả dĩ của các bẫy ion mà nhiều nhà khoa học mơ ước là máy tinh lượng tử. Trong các máy tinh cổ điển hiện nay, đơn vị thông tin nhỏ nhất là một bit mà nó lấy giá trị 1 hoặc 0. Tuy nhiên, trong một máy tinh lượng tử, đơn vị thông tin cơ bản là một bit lượng tử hay một qubit và có thể là 1 và 0 một cách đồng thời. Hai bit lượng tử có thể đồng thời lấy bốn giá trị là 00,01,10 và 11 và mỗi một qubit thêm vào tăng gấp đôi số lượng của các trạng thái khả dĩ. Đối với n bit lượng tử có 2^n trạng thái khả dĩ và một máy tinh lượng tử với chỉ 300 qubit có thể giữ 2^(300) giá trị một cách đồng thời. Con số này nhiều hơn số nguyên tử trong vũ trụ.

Nhóm của Wineland lần đầu tiên trên thế giới chứng minh một sự vận hành lượng tử với hai bit lượng tử. Do những sự vận hành điều khiển cũng đã đạt được với một ít qubit, về nguyên tắc không có lý do để tin rằng không thể đạt được những sự vận hành như thế với nhiều qubit hơn. Tuy nhiên, việc chế tạo một máy tinh lượng tử như vậy là một thách thức thực tế khổng lồ. Việc chế tạo này cần phải thỏa mãn hai đòi hỏi ngược nhau. Thứ nhất là các qubit cần phải được cô lập đầy đủ với môi trường của chúng để không phá hủy các tinh chất lượng tử của chúng. Thứ hai là chúng cũng cần phải có khả năng liên lạc với thế giới bên ngoài để chuyển các kết quả tinh toán của chúng. Có lẽ máy tinh lượng tử sẽ được chế tạo trong thế kỷ này. Nếu đúng như vậy, nó sẽ làm thay đổi cuộc sống của chúng ta theo cùng một cách căn bản giống như máy tinh cổ điển đã làm biến đổi cuộc sống trong thế kỷ đã qua.

Wineland và nhóm nghiên cứu của ông cũng đã sử dụng các ion trong một bẫy để chế tạo một đồng hồ chính xác hơn 100 lần so với các đồng hồ nguyên tử dựa trên xesi (Cs) mà chúng là chuẩn hiện nay trong phép đo thời gian của chúng ta. Thời gian được duy trì bằng cách đặt hoặc đồng bộ hoá tất cả các đồng hồ dựa vào một chuẩn. Các đồng hồ xesi hoạt động trong khoảng vi ba trong khi các đồng hồ ion của Wineland sử dụng ánh sáng nhìn thầy và vì thế chúng có tên là các đồng hồ quang. Một đồng hồ quang có thể bao gồm đúng một ion hoặc hai ion trong một bẫy. Trong số hai ion, một ion được sử dụng như đồng hồ và ion kia được sử dụng để đọc đồng hồ mà không phá hủy trạng thái của nó hoặc làm cho nó trượt một tích tắc. Độ chính xác của một đồng hồ quang chỉ ngay dưới 10^(-17) giây (cao hơn 2 bậc độ lớn so với các đồng hồ Cs) mà nó có nghĩa là nếu người ta bắt đầu đo thời gian vào lúc bắt đầu vũ trụ trong Vụ nổ lớn (Big Bang) khoảng 14 tỷ năm trước đây cho đến bây giờ, đồng hồ quang chỉ sai lệch khoảng 5 giây.

Với phép đo thời gián chính xác như thế, có thể quan sát thấy một số hiện tượng tự nhiên cực kỳ tinh tế và ngoạn mục chẳng hạn như những thay đổi trong dòng chảy của thời gian hoặc những biến thiên phút của trọng lực, cơ cấu (fabric) không gian – thời gian. Theo thuyết tương đối của Einstein, thời gian bị ảnh hưởng bởi chuyển động và trọng lực. Tốc độ càng cao và trọng lực càng lớn thì sự trôi qua của thời gián càng chậm. Chúng ta có thể không nhận biết được những ảnh hưởng này nhưng chúng thực tế trở thành một phần trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Khi chúng ta định vị với GPS, chúng ta dựa vào các tín hiệu thời gian từ các vệ tinh với các đồng hồ được định cỡ theo thường lệ vì trọng lực hơi yếu đi khi đi lên trên bầu trời một vài trăm kilômét. Với một đồng hồ quang có thể đo được sự thay đổi trong sự trôi qua của thời gian khi tốc độ của đồng hồ thay đổi dưới 10 m/ s hoặc khi trọng lực thay đổi do sự thay đổi độ cao chỉ là 30 cm.

Tác giả Đăng nhập vào bet365_link bet365 khi bị chặn_hướng dẫn đăng ký bet365 viết: PGS. TS Nguyễn Quang Học
Nguồn tin: Khoa Vật lý - Đại học Sư phạm Hà Nội
 

Quảng cáo

Top