Một nhóm các nhà nghiên cứu từ Phòng thí nghiệm Ánh sáng Cấu trúc ở Đại học WitwatersrandNam Phi đã đạt được tiến bộ đáng kể về vấn đề vướng víu lượng tử.

Được dẫn dắt bởi Giáo sư Andrew Forbes, phối hợp với nhà khoa học dây nổi tiếng Robert de Mello Koch, người hiện đang ở Đại học Hồ Châu Tại Trung Quốc, nhóm nghiên cứu đã trình diễn thành công một phương pháp mới để điều khiển các hạt vướng víu lượng tử mà không làm thay đổi đặc tính nội tại của chúng.

Kỳ tích này thể hiện một bước tiến lớn trong sự hiểu biết và ứng dụng của chúng ta về sự vướng víu lượng tử.

Cấu trúc liên kết trong vướng víu lượng tử

Pedro Ornelas, nghiên cứu sinh cao học và là tác giả chính của nghiên cứu, giải thích: “Chúng tôi đạt được điều này bằng cách làm vướng víu hai photon giống hệt nhau và gán cho chúng một hàm sóng chung. Quá trình này làm cho cấu trúc tập thể, hay cấu trúc liên kết của chúng, chỉ rõ ràng khi chúng được coi là một thực thể duy nhất.”

Thí nghiệm này xoay quanh khái niệm về sự vướng víu lượng tử, được gọi là “tác dụng ma quái ở khoảng cách xa”, trong đó các hạt ảnh hưởng đến trạng thái của nhau, ngay cả khi cách nhau một khoảng cách rất xa.

Cấu trúc liên kết đóng một vai trò quan trọng trong bối cảnh này. Nó đảm bảo rằng một số đặc tính nhất định được bảo toàn, giống như cách một tách cà phê và một chiếc bánh rán tương đương về mặt cấu trúc vì lỗ duy nhất, không thay đổi của chúng.

Giáo sư Forbes giải thích: “Các photon vướng víu của chúng tôi tương tự nhau. “Sự vướng víu của chúng rất linh hoạt, nhưng một số tính chất vẫn không đổi.”

Nghiên cứu đặc biệt xem xét cấu trúc liên kết Skyrmion, một khái niệm được Tony Skyrmion đưa ra vào những năm 1980. Trong trường hợp này, cấu trúc liên kết đề cập đến một đặc tính chung không thay đổi, chẳng hạn như kết cấu của vải, bất kể nó được xử lý như thế nào.

Ứng dụng của vướng víu lượng tử

Skyrmions, ban đầu được nghiên cứu về vật liệu từ tính, tinh thể lỏng và các đối tượng quang học của chúng, đã được ca ngợi trong vật lý vật chất ngưng tụ vì tính ổn định và tiềm năng của chúng trong công nghệ lưu trữ dữ liệu.

Forbes cho biết thêm: “Chúng tôi mong muốn đạt được những hiệu ứng biến đổi tương tự với các skyrmion vướng víu lượng tử của mình”. Không giống như nghiên cứu trước đây giới hạn vị trí của Skyrmions ở một điểm duy nhất, nghiên cứu này trình bày một sự thay đổi mô hình.

Như Ornelas nói: “Bây giờ chúng tôi hiểu rằng cấu trúc liên kết, theo truyền thống được coi là cục bộ, trên thực tế có thể không cục bộ, được chia sẻ giữa các thực thể tách biệt về mặt không gian”.

Theo đó, nhóm nghiên cứu đề xuất sử dụng cấu trúc liên kết làm hệ thống phân loại các trạng thái vướng víu. Tiến sĩ Ishaq Naib, một nhà đồng nghiên cứu, so sánh điều này với một bảng chữ cái gồm các trạng thái rối rắm.

Ông giải thích: “Giống như chúng ta phân biệt các cánh đồng và chiếc bánh rán bằng lỗ của chúng, các bầu trời lượng tử của chúng ta có thể được phân loại theo các đặc điểm tôpô của chúng”.

Những ý tưởng chính và nghiên cứu trong tương lai

Khám phá này mở ra cánh cửa cho các giao thức truyền thông lượng tử mới, sử dụng cấu trúc liên kết làm phương tiện xử lý thông tin lượng tử.

Các giao thức như vậy có thể cách mạng hóa cách mã hóa và truyền thông tin trong các hệ thống lượng tử, đặc biệt là trong các tình huống mà các phương pháp mã hóa truyền thống không thành công do mức độ vướng víu ở mức tối thiểu.

Điểm mấu chốt là tầm quan trọng của nghiên cứu này nằm ở khả năng áp dụng nó trên thực tế. Trong nhiều thập kỷ, việc duy trì các quốc gia kết nối với nhau là một thách thức lớn.

Những phát hiện của nhóm cho thấy cấu trúc liên kết có thể vẫn còn nguyên vẹn ngay cả khi sự vướng víu phân rã, cung cấp một cơ chế mã hóa mới cho các hệ lượng tử.

Giáo sư Forbes kết thúc bằng một tuyên bố hướng tới tương lai: “Chúng tôi hiện đã sẵn sàng xác định các giao thức mới và khám phá bối cảnh rộng lớn của các trạng thái lượng tử phi cục bộ, trạng thái này có thể cách mạng hóa cách chúng ta tiếp cận truyền thông lượng tử và xử lý thông tin”.

Tìm hiểu thêm về vướng víu lượng tử

Như đã thảo luận ở trên, sự vướng víu lượng tử là một hiện tượng hấp dẫn và phức tạp trong thế giới vật lý lượng tử.

Đó là một quá trình vật lý trong đó các cặp hoặc nhóm hạt tạo ra, tương tác hoặc chia sẻ khoảng cách không gian gần nhau theo những cách mà trạng thái lượng tử của mỗi hạt không thể được mô tả độc lập với trạng thái của các hạt khác, ngay cả khi các hạt được phân tách bằng một khoảng cách lớn. .

Khám phá và bối cảnh lịch sử

Sự vướng víu lượng tử lần đầu tiên được đưa ra giả thuyết vào năm 1935 bởi Albert Einstein, Boris Podolsky và Nathan Rosen. Họ đề xuất nghịch lý Einstein-Podolsky-Rosen (EPR), thách thức tính hoàn chỉnh của cơ học lượng tử.

Einstein nổi tiếng gọi sự vướng víu là “tác dụng ma quái ở khoảng cách xa”, thể hiện sự khó chịu với ý tưởng cho rằng các hạt có thể tác động lên nhau tức thời trên những khoảng cách rất lớn.

Nguyên lý vướng víu lượng tử

Cốt lõi của sự vướng víu lượng tử là khái niệm chồng chất. Trong cơ học lượng tử, các hạt như electron và photon tồn tại ở trạng thái chồng chất, nghĩa là chúng có thể ở nhiều trạng thái cùng một lúc.

Khi hai hạt vướng víu, chúng có quan hệ theo cách mà trạng thái của một hạt (có thể là spin, vị trí, động lượng hoặc phân cực) liên hệ ngay lập tức với trạng thái của hạt kia, bất kể chúng cách nhau bao xa.

Sự vướng víu lượng tử trong điện toán và truyền thông

Sự vướng víu lượng tử thách thức các quan niệm cổ điển về các định luật vật lý. Nó chỉ ra rằng thông tin có thể được truyền đi nhanh hơn tốc độ ánh sáng, điều này mâu thuẫn với thuyết tương đối của Einstein.

Tuy nhiên, điều này không có nghĩa là thông tin có thể sử dụng được chuyển giao ngay lập tức, điều này sẽ vi phạm quan hệ nhân quả; Đúng hơn, nó hàm ý một mối liên kết sâu xa ở cấp độ lượng tử.

Một trong những ứng dụng thú vị nhất của vướng víu lượng tử là trong lĩnh vực điện toán lượng tử. Máy tính lượng tử sử dụng các trạng thái vướng víu để thực hiện các phép tính phức tạp với tốc độ mà máy tính cổ điển không thể đạt được.

Trong truyền thông lượng tử, sự vướng víu là chìa khóa để phát triển các hệ thống truyền thông có độ an toàn cao, chẳng hạn như mật mã lượng tử và phân phối khóa lượng tử, về mặt lý thuyết là miễn nhiễm với hack.

Xác nhận thực nghiệm và nghiên cứu hiện tại

Kể từ khi ra đời về mặt lý thuyết, sự vướng víu lượng tử đã được chứng minh bằng thực nghiệm nhiều lần, nhấn mạnh bản chất kỳ lạ và phản trực giác của nó.

Nổi tiếng nhất là các thí nghiệm kiểm tra Bell, chúng cung cấp bằng chứng quan trọng chống lại các lý thuyết biến ẩn cục bộ và ủng hộ cơ học lượng tử.

Nói tóm lại, sự vướng víu lượng tử, nền tảng của cơ học lượng tử, vẫn là một chủ đề được nghiên cứu và tranh luận gay gắt. Bản chất khó hiểu của nó thách thức sự hiểu biết của chúng ta về thế giới vật chất và mở đường cho những phát triển mang tính cách mạng tiềm năng trong công nghệ.

Khi nghiên cứu tiến triển, chúng ta có thể tìm thấy nhiều ứng dụng thực tế hơn cho hiện tượng kỳ lạ này, mở ra nhiều bí mật hơn về vũ trụ lượng tử.

Nghiên cứu đầy đủ đã được công bố trên tạp chí Quang tử tự nhiên.

—-

Giống như những gì tôi đọc? Đăng ký nhận bản tin của chúng tôi để nhận được các bài viết hấp dẫn, nội dung độc quyền và cập nhật mới nhất.

Hãy ghé thăm chúng tôi tại EarthSnap, một ứng dụng miễn phí do Eric Ralls và Earth.com mang đến cho bạn.

—-