Một nhóm các nhà vật lý đến từ Úc và Anh vừa ghi nhận bước đột phá quan trọng trong lĩnh vực cảm biến lượng tử thông qua việc tái định hình một cách tinh tế nguyên lý bất định lượng tử. Nghiên cứu nền tảng này, được công bố trên Tiến bộ khoa học, mở ra hướng phát triển mới cho thế hệ cảm biến lượng tử tiếp theo với tiềm năng ứng dụng đa dạng trong điều hướng, y học và thiên văn học.
Điểm mấu chốt của phát minh này nằm ở việc vượt qua giới hạn của Nguyên lý bất định Heisenberg. Được phát biểu từ năm 1927, nguyên lý này quy định rằng một số cặp tính chất vật lý nhất định như vị trí và động lượng của một hạt không thể được xác định đồng thời với độ chính xác tuyệt đối. Khi một thuộc tính được đo càng chính xác thì thuộc tính còn lại lại càng trở nên bất định.
Tiến sĩ Tingrei Tan từ Viện Nano và Khoa Vật lý Đại học Sydney, người dẫn đầu nghiên cứu, cho biết nhóm đã thiết kế một chiến lược đánh đổi để có thể đo chính xác cả vị trí lẫn động lượng đồng thời.
Tiến sĩ Tan ví von: “Hãy tưởng tượng sự bất định giống như lượng không khí trong một quả bóng bay. Bạn không thể rút không khí ra mà không làm bóng nổ tung, nhưng bạn có thể bóp, chuyển dịch lượng không khí đó bên trong quả bóng. Đó chính là điều chúng tôi đã làm một cách hiệu quả.”
“Chúng tôi đã đẩy sự bất định lượng tử không thể tránh khỏi vào những khu vực mà chúng tôi không quan tâm — đó là những biến đổi lớn, thô về vị trí và động lượng — để tạo điều kiện cho việc đo lường chính xác những chi tiết nhỏ mà chúng tôi thực sự cần.” Tiến sĩ Tingrei Tan
Nhóm nghiên cứu còn sử dụng phép so sánh với một chiếc đồng hồ chỉ có một kim để minh họa phát hiện này. Nếu đồng hồ chỉ có kim giờ, bạn có thể biết được thời gian đại khái nhưng không thể xác định chính xác phút; nếu chỉ có kim phút thì ngược lại, có thể đọc đúng phút nhưng mất đi thông tin giờ. Phép đo ‘mô-đun’ này đánh đổi thông tin tổng thể lấy chi tiết cụ thể hơn.
Tiến sĩ Christophe Valahu, tác giả chính của nghiên cứu và đến từ Phòng thí nghiệm Kiểm soát Lượng tử thuộc Đại học Sydney, nhận định: “Bằng cách áp dụng chiến lược này trong các hệ lượng tử, chúng ta có thể đo chính xác hơn sự biến đổi đồng thời ở cả vị trí lẫn động lượng một hạt. Chúng ta chấp nhận mất đi một phần thông tin tổng thể để có khả năng phát hiện những thay đổi nhỏ với độ nhạy vượt trội.”
Chiến lược này, dù đã được đề xuất lý thuyết từ năm 2017, nay đã được khẳng định qua thực nghiệm áp dụng một công nghệ từng phát triển cho máy tính lượng tử sửa lỗi.
Nhóm đã triển khai giao thức cảm biến bằng cách sử dụng chuyển động dao động rất nhỏ của các ion bị giữ bởi bẫy điện từ, chuẩn bị chúng trong trạng thái gọi là “trạng thái lưới“. Phương pháp này cho phép đo đồng thời vị trí và động lượng với độ chính xác vượt qua ‘giới hạn lượng tử tiêu chuẩn‘.
Giáo sư Nicolas Menicucci từ Đại học RMIT, một nhà lý thuyết trong lĩnh vực, nhận xét về sự chuyển hướng ứng dụng từ điện toán lượng tử sang cảm biến lượng tử:
“Những ý tưởng ban đầu được xây dựng cho máy tính lượng tử mạnh mẽ có thể tái sử dụng để phát triển các cảm biến có khả năng thu nhận tín hiệu cực nhỏ mà không bị ảnh hưởng bởi nhiễu lượng tử.” Giáo sư Nicolas Menicucci
Khả năng phát hiện những thay đổi cực nhỏ có ý nghĩa rất lớn đối với khoa học và công nghệ. Các cảm biến lượng tử siêu chính xác có thể cải thiện mạnh mẽ khả năng dẫn đường trong môi trường không có tín hiệu GPS, nâng cao chất lượng hình ảnh y tế, giám sát vật liệu và các hệ thống hấp dẫn, cũng như hỗ trợ nghiên cứu các hiện tượng vật lý cơ bản.
Dù vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm, thí nghiệm này đã mở ra khuôn khổ mới cho các công nghệ cảm biến trong tương lai, giúp đo lường các tín hiệu rất yếu và trở thành một công cụ giá trị trong kho công nghệ cảm biến lượng tử.
Nguồn : futureiot.tech