Trong một mẫu gồm các photon không thể phân biệt được, chúng khó phân biệt đến mức nào? Một nhóm các nhà khoa học quốc tế hiện đã trả lời câu hỏi này bằng cách thực hiện phép đo chính xác đầu tiên về tính không thể phân biệt của đa photon. Bằng cách sử dụng một loại giao thoa kế quang học sáng tạo dựa trên các ống dẫn sóng được kết nối với nhau, nhóm nghiên cứu đã chỉ ra rằng có thể kiểm tra cả hiệu suất của các nguồn đơn photon và sự tạo ra trạng thái đa photon trong các thí nghiệm quang học lượng tử – một thành viên trong nhóm thành tích Andrea Crespi mô tả là thêm “một yếu tố bổ sung vào hộp công cụ của nhà thí nghiệm quang học lượng tử”.
Trong thế giới hàng ngày bị chi phối bởi vật lý cổ điển, chúng ta luôn có thể tìm ra cách để biết vật thể vĩ mô nào là vật thể nào, ngay cả khi nhiều vật thể bề ngoài trông giống hệt nhau. Tuy nhiên, trong thế giới lượng tử, các hạt có thể giống hệt nhau theo một nghĩa sâu sắc, Crespi, một nhà vật lý tại Viện nghiên cứu giải thích. Đại học Bách khoa Milan, Ý. Điều này khiến cho việc phân biệt hạt này với hạt kia thực sự là bất khả thi và dẫn đến các hành vi giống như sóng chẳng hạn như giao thoa.
Những hành vi bất thường này làm cho các photon giống hệt nhau trở thành nguồn tài nguyên chính trong công nghệ lượng tử quang học. Ví dụ, trong điện toán lượng tử, chúng tạo thành cơ sở của các qubit hoặc bit lượng tử, được sử dụng để thực hiện các phép tính. Trong truyền thông lượng tử, chúng được sử dụng để gửi thông tin qua các mạng lượng tử quy mô lớn.
Chứng minh tính không thể phân biệt chính hãng
Để kiểm tra xem hai photon có thể phân biệt được hay không, các nhà nghiên cứu thường gửi chúng qua một giao thoa kế trong đó hai kênh, hoặc ống dẫn sóng, gần đến mức mỗi photon có thể đi qua một trong hai photon đó. Nếu hai photon hoàn toàn không thể phân biệt được, thì chúng luôn kết thúc cùng nhau trong cùng một ống dẫn sóng. Tuy nhiên, kỹ thuật này không thể được sử dụng cho các tập hợp photon lớn hơn, bởi vì ngay cả khi nó được lặp lại cho tất cả các tổ hợp hai photon có thể, thì nó vẫn không đủ để mô tả đầy đủ đặc điểm của tập hợp nhiều photon. Đây là lý do tại sao “tính không thể phân biệt thực sự” – một thông số định lượng mức độ gần của một tập hợp các photon với trạng thái lý tưởng, giống hệt nhau này – rất khó đo đối với nhiều photon.
Trong công trình mới, các nhà nghiên cứu từ Milan và Đại học Rome “La Sapienza” ở Ý; Các Hội đồng nghiên cứu Ý; Các Trung tâm Khoa học Nano và Công nghệ Nano ở Palaiseau, Pháp; và công ty điện toán lượng tử quang tử Quandela đã xây dựng một “bài kiểm tra tính không thể phân biệt” đối với bốn photon. Hệ thống của họ bao gồm một tấm kính trong đó họ đã in tám ống dẫn sóng bằng kỹ thuật viết laze. Sử dụng một nguồn chấm lượng tử bán dẫn, họ liên tục gửi các photon vào các ống dẫn sóng, sau đó ghi lại những ống dẫn sóng nào bị chiếm giữ bởi một photon.
Tiếp theo, họ sử dụng một bộ gia nhiệt siêu nhỏ để làm nóng một trong những ống dẫn sóng chứa photon. Sự gia tăng nhiệt độ làm thay đổi chỉ số khúc xạ của ống dẫn sóng, tạo ra sự thay đổi trong pha quang học của photon và khiến nó nhảy tới một trong bảy ống dẫn sóng khác nhờ hiệu ứng giao thoa.
Thí nghiệm cho thấy rằng biên độ dao động giữa các ống dẫn sóng có thể được sử dụng để xác định tham số không thể phân biệt thực sự, là một số nằm trong khoảng từ 0 đến 1 (với 1 tương ứng với các photon hoàn toàn giống hệt nhau). Trong thí nghiệm của họ, họ đã tính được độ không phân biệt được là 0.8.
"Trong trường hợp n các photon, khái niệm về tính không thể phân biệt thực sự định lượng theo cách xác thực nhất mức độ không thể phân biệt các hạt này và nó liên quan đến mức độ rõ rệt của các hiệu ứng giao thoa lượng tử tập thể,” Crespi giải thích. “Kỹ thuật đo đại lượng này của chúng tôi dựa trên một loại giao thoa kế mới được thiết kế để tạo ra, ở đầu ra của nó, các hiệu ứng giao thoa bất thường 'chắt lọc' tính không thể phân biệt thực sự tập thể của toàn bộ n các photon đối với tính không thể phân biệt của các tập con từng phần.”
Công cụ cho quang học lượng tử
Mặc dù kỹ thuật này có thể hoạt động với nhiều hơn bốn photon, nhưng số lượng phép đo cần thiết để quan sát các biến thiên về tính không thể phân biệt tăng theo cấp số nhân với số lượng photon. Do đó, sẽ không thực tế đối với 100 photon trở lên, đây là con số có khả năng cần thiết cho một máy tính quang học trong tương lai. Điều đó nói rằng, Crespi nói rằng nó có thể được sử dụng trong các thí nghiệm quang học lượng tử, trong đó các nhà khoa học cần biết liệu các photon có thể phân biệt được hay không.
Bức tường giao thoa bắt các photon đơn lẻ
“Khả năng không thể phân biệt thực sự là một tham số quan trọng cung cấp thông tin về chất lượng của nguồn đa photon và xác định cách những n các photon có thể được sử dụng ở trạng thái thông tin phức tạp,” ông nói Thế giới vật lý. “Để phát triển các công nghệ đáng tin cậy thể hiện lợi thế định lượng cho quá trình truyền và xử lý thông tin lượng tử, điều quan trọng không chỉ là phát triển các nguồn tốt mà còn phát triển các phương pháp để mô tả và định lượng chất lượng của các nguồn này.”
Thành viên của đội Sarah thomas, hiện là postdoc về quang học lượng tử tại Đại học Hoàng gia Luân Đôn, Vương quốc Anh, cho biết phương pháp này có thể được sử dụng để định lượng trạng thái tài nguyên tốt như thế nào đối với các thí nghiệm như lấy mẫu Boson. “Một công cụ mô tả đặc điểm như vậy sẽ hữu ích trong việc tìm hiểu những hạn chế hiện tại trong việc xây dựng các trạng thái đa photon và hàm ý của điều này đối với sự giao thoa lượng tử, và do đó có khả năng tìm ra các lộ trình hướng tới việc cải thiện các trạng thái tài nguyên này,” cô nói.
Theo các nhà nghiên cứu, thiết bị sáng tạo của họ cho phép họ quan sát trực tiếp các hiệu ứng giao thoa đặc biệt có thể mở ra những con đường mới cho nghiên cứu cơ bản về giao thoa lượng tử đa hạt, thậm chí vượt xa cả lượng tử ánh sáng. Thomas tiết lộ: “Chúng ta có thể khám phá ý nghĩa của những hiệu ứng này trong đo lường lượng tử – nghĩa là, để ước tính nâng cao các đại lượng vật lý bằng các hiệu ứng kích hoạt lượng tử.
Công việc hiện tại được trình bày chi tiết trong Đánh giá vật lý X.
