Đây là một kỹ thuật mới để đo các nguyên tử dao động, có thể cải thiện độ chính xác của đồng hồ nguyên tử và các cảm biến lượng tử với mục đích phát hiện vật chất tối hoặc sóng hấp dẫn.
Đồng hồ lượng tử là đồng hồ điều chỉnh thời gian theo trạng thái dao động của nguyên tử. Tần số dao động của nguyên tử là không đổi và có thể đo được, vì vậy đồng hồ lượng tử là một trong những loại đồng hồ chính xác nhất cho tới nay.
Cảm biến lượng tử, là hệ thống các nguyên tử mà sự dao động của chúng có thể được sử dụng như một máy dò, có thể chỉ ra sự hiện diện của vật chất tối, sóng hấp dẫn đi qua hoặc thậm chí là các hiện tượng bất ngờ mới. Do đó, các nhà khoa học có thể trau dồi độ chính xác của đồng hồ nguyên tử cũng như cảm biến lượng tử nếu họ có thể đo chính xác các dao động nguyên tử này và cách chúng phát triển theo thời gian.
Thế nhưng có một sự thật chính là những "tiếng ồn" của thế giới bên ngoài có thể nhanh chóng chế ngự các dao động nguyên tử nhỏ và thực hiện bất kỳ thay đổi nào đối với các dao động đó một cách khó phát hiện. Đây cũng chính là một rào cản lớn trong việc cải tiến các phép đo lượng tử.
Tuy nhiên, các nhà vật lý của MIT gần đây đã chứng minh rằng họ có thể khuếch đại đáng kể những thay đổi lượng tử trong dao động nguyên tử, bằng cách đưa các hạt vào hai quá trình quan trọng: rối lượng tử và đảo ngược thời gian.
Trong đồng hồ lượng tử tối tân, các nhà vật lý đo dao động của hàng nghìn nguyên tử cực lạnh, nhiều lần, để tăng cơ hội nhận được phép đo chính xác. Tuy nhiên, các hệ thống này có một số điểm không chắc chắn và việc lưu giữ thời gian của chúng có thể chính xác hơn. Các nhà vật lý của MIT đã chỉ ra rằng họ có thể khuếch đại đáng kể những thay đổi lượng tử trong dao động nguyên tử, bằng cách đưa các hạt đi qua hai quá trình quan trọng: rối lượng tử và đảo ngược thời gian.
Với trình độ khoa học và kiến thức của nhân loại hiện tại, chúng ta vẫn chưa thể phát triển ra các phương tiện đảo ngược thời gian cũng như chứng minh được tính khả thi của nó một cách chắc chắn.
Thay vào đó, các nhà khoa học buộc các nguyên tử vướng víu lượng tử hoạt động như thể chúng đang tiến hóa ngược thời gian. Theo đó, bất kỳ sự thay đổi nào đối với dao động nguyên tử đều được phóng đại và dễ theo dõi vì các nhà nghiên cứu về cơ bản đã "thiết lập một vỏ bọc" cho dao động nguyên tử.
Trong nghiên cứu được công bố vào ngày 14 tháng 7 năm 2022, trên tạp chí Nature Physics, nhóm các nhà khoa học đã chứng minh rằng kỹ thuật mà họ đặt tên là SATIN (khuếch đại tín hiệu thông qua việc đảo ngược thời gian), là phương pháp nhạy nhất từng được phát triển để đo các dao động lượng tử.
Kỹ thuật này có thể cải thiện độ chính xác của đồng hồ lượng tử tiên tiến nhất hiện nay lên hệ số 15, làm cho thời gian của chúng chính xác đến mức chỉ chênh lệch ít hơn 20 mili giây trong toàn bộ dòng thời gian của vũ trụ. Kỹ thuật này cũng có thể được sử dụng để làm sắc nét hơn nữa các cảm biến lượng tử được thiết kế để phát hiện sóng hấp dẫn, vật chất tối và các hiện tượng vật lý khác.
"Chúng tôi nghĩ rằng đây là mô hình của tương lai", tác giả chính Vladan Vuletic, Giáo sư Vật lý của Lester Wolfe tại MIT, cho biết. "Bất kỳ sự giao thoa lượng tử nào hoạt động với nhiều nguyên tử đều có thể thu được từ kỹ thuật này".
Các đồng tác giả MIT của nghiên cứu bao gồm tác giả đầu tiên Simone Colombo, Edwin Pedrozo-Peñafiel, Albert Adiyatullin, Zeyang Li, Enrique Mendez và Chi Shu.
Một loại nguyên tử nhất định sẽ dao động ở một tần số cụ thể và không đổi, nếu được đo đúng cách, nó có thể đóng vai trò như một con lắc rất chính xác. Nhưng ở quy mô của một nguyên tử đơn lẻ, các định luật của cơ học lượng tử và dao động của nguyên tử sẽ thay đổi giống như mặt của một đồng xu mỗi khi nó được lật. Chỉ bằng cách thực hiện nhiều phép đo của một nguyên tử, các nhà khoa học mới có thể ước tính được dao động thực của nó - một giới hạn được gọi là Giới hạn lượng tử tiêu chuẩn.
Vào năm 2020, nhóm của Vuletic đã chỉ ra rằng độ chính xác của đồng hồ nguyên tử hiện tại có thể được cải thiện bằng cách làm vướng các nguyên tử - một hiện tượng lượng tử trong đó các hạt bị ép buộc phải hoạt động trong một trạng thái tập thể, có tương quan cao. Trong trạng thái vướng víu này, dao động của các nguyên tử riêng lẻ sẽ dịch chuyển về một tần số chung và sẽ cần ít nỗ lực hơn để đo chính xác.
Vuletic nói: "Vào thời điểm đó, chúng tôi vẫn còn bị giới hạn bởi khả năng đọc ra pha đồng hồ" - các công cụ được sử dụng để đo dao động nguyên tử không đủ nhạy để đọc ra, hoặc đo lường bất kỳ sự thay đổi nhỏ nào trong dao động chung của các nguyên tử.
Trong nghiên cứu mới của họ, thay vì cố gắng cải thiện độ phân giải của các công cụ đọc hiện có, nhóm nghiên cứu đã tìm cách tăng cường tín hiệu từ bất kỳ thay đổi nào trong dao động để chúng có thể được đọc bằng các công cụ hiện tại. Họ đã làm như vậy bằng cách khai thác một hiện tượng kỳ lạ khác trong cơ học lượng tử: sự đảo ngược thời gian.
Các nhà nghiên cứu của MIT đã sử dụng một hệ thống laser để làm vướng víu, sau đó đảo ngược sự tiến hóa của một đám mây nguyên tử siêu lạnh.
Hầu hết định luật vật lý không phân biệt rõ ràng quá khứ và tương lai. Ví dụ, ta có thể sử dụng một đẳng thức mô tả quá trình va chạm của hai quả bóng. Nếu như ta quay lại khoảnh khắc va chạm, rồi tua ngược lại, ta vẫn có thể áp dụng đẳng thức cũ để mô tả hiện tượng. Cả hai trường hợp ngược và xuôi đều trông rất thật, và trong mắt ta, hai quả bóng dường như đi ngược lại với quy luật thời gian.
Người ta cho rằng một hệ thống lượng tử thuần túy, chẳng hạn như một nhóm nguyên tử hoàn toàn cách biệt với tiếng ồn cổ điển hàng ngày, sẽ phát triển về phía trước theo cách có thể dự đoán được, và tương tác của các nguyên tử (chẳng hạn như dao động của chúng) phải được mô tả chính xác bởi "Hamilton" của hệ thống - một mô tả toán học về tổng năng lượng của hệ thống.
Vào những năm 1980, các nhà lý thuyết dự đoán rằng nếu Hamilton của một hệ thống bị đảo ngược, và hệ thống lượng tử tương tự được tạo ra để tiến hóa, thì mọi thứ sẽ giống như hệ thống quay ngược thời gian.
Pedrozo-Peñafiel giải thích: "Trong cơ học lượng tử, nếu bạn biết Hamilton, bạn có thể theo dõi những gì hệ thống đang làm trong suốt thời gian, giống như một quỹ đạo lượng tử. Nếu quá trình tiến hóa này hoàn toàn là lượng tử, cơ học lượng tử sẽ cho bạn biết rằng bạn có thể khử tiến hóa hoặc biến chúng trở về trạng thái ban đầu".
"Và ý tưởng là, nếu bạn có thể đảo ngược dấu hiệu của Hamilton, mọi nhiễu loạn nhỏ xảy ra sau khi hệ thống phát triển về phía trước sẽ được khuếch đại nếu bạn quay ngược thời gian", Colombo cho biết thêm.
Đối với nghiên cứu mới của mình, nhóm đã nghiên cứu 400 nguyên tử cực lạnh của ytterbium, một trong hai loại nguyên tử được sử dụng trong đồng hồ nguyên tử ngày nay. Họ làm lạnh các nguyên tử trên độ không tuyệt đối, ở nhiệt độ mà hầu hết các hiệu ứng cổ điển như nhiệt biến mất và hành vi của các nguyên tử bị chi phối hoàn toàn bởi các hiệu ứng lượng tử.
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng một hệ thống laser để bẫy các nguyên tử, sau đó gửi đến một ánh sáng "vướng víu" màu xanh lam, ánh sáng này buộc các nguyên tử dao động trong một trạng thái tương quan. Họ để cho các nguyên tử vướng víu tiến hóa theo thời gian, sau đó cho chúng tiếp xúc với một từ trường nhỏ, từ trường này tạo ra một sự thay đổi lượng tử rất nhỏ, làm dịch chuyển một chút dao động chung của các nguyên tử.
Sự thay đổi như vậy sẽ không thể phát hiện bằng các công cụ đo lường hiện có. Thay vào đó, nhóm nghiên cứu đã áp dụng tính năng đảo ngược thời gian để tăng cường tín hiệu lượng tử này. Để làm điều này, họ đưa chúng vào một tia laser khác, có màu đỏ kích thích các nguyên tử tách rời nhau, như thể chúng đang tiến hóa ngược thời gian.
Sau đó, họ đo dao động của các hạt khi chúng ổn định trở lại trạng thái không bị xáo trộn, và nhận thấy rằng pha cuối cùng của chúng khác biệt rõ rệt so với pha ban đầu - bằng chứng rõ ràng rằng một sự thay đổi lượng tử đã xảy ra ở đâu đó trong quá trình tiến hóa về phía trước của chúng.
Nhóm nghiên cứu đã lặp lại thí nghiệm này hàng nghìn lần, với các đám mây lượng tử có từ 50 đến 400 nguyên tử, mỗi lần quan sát thấy sự khuếch đại dự kiến của tín hiệu lượng tử. Họ nhận thấy hệ thống vướng víu của họ nhạy hơn tới 15 lần so với các hệ thống nguyên tử không vướng víu tương tự. Nếu hệ thống của họ được áp dụng cho các đồng hồ lượng tử tối tân hiện nay, nó sẽ giảm số phép đo mà các đồng hồ này yêu cầu.
Trong tương lai, các nhà nghiên cứu hy vọng sẽ thử nghiệm phương pháp của họ trên đồng hồ lượng tử, cũng như trong các cảm biến lượng tử, chẳng hạn đối với vật chất tối.