Thử nghiệm la bàn lượng tử dưới đường tàu điện ngầm London

Nhóm nghiên cứu từ Đại học Hoàng gia London đang thử nghiệm công cụ mới giúp xác định vị trí vật thể chính xác hơn hệ thống GPS.

Trong chuyến đi bằng tàu điện ngầm London, tiến sĩ Joseph Cotter từ Trung tâm Vật chất Lạnh thuộc Đại học Hoàng gia London mang theo những hành lý đặc biệt gồm buồng chân không bằng thép không gỉ, vài tỷ nguyên tử rubidium và tia laser. Chúng được sử dụng để phát triển la bàn lượng tử - công cụ khai thác hoạt động của vật chất hạ nguyên tử nhằm giúp xác định vị trí một cách chính xác, Guardian hôm 16/6 đưa tin.

Tiến sĩ Joseph Cotter với hành lý dưới lòng đất của mình, gia tốc kế lượng tử dùng để điều hướng. (Ảnh: Thomas Angus).

Mục tiêu của la bàn lượng tử là vượt qua hoặc tăng cường các phương pháp xác định vị trí máy bay, ôtô và vật thể khác hiện nay. Các phương pháp này thường dựa vào những hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu (GNSS), ví dụ như GPS.

Tuy nhiên, thiết bị GNSS dễ bị ảnh hưởng bởi thời tiết xấu và nguồn nhiễu, cũng không hoạt động dưới nước hoặc dưới lòng đất. Tín hiệu của chúng cũng thường bị tòa nhà cao tầng hoặc vật cản khác chặn lại. Mục tiêu của nhóm dự án tại Đại học Hoàng gia London là tạo ra một thiết bị xác định đúng vị trí của chính nó, đồng thời không phụ thuộc vào việc nhận tín hiệu từ bên ngoài.

"Bạn sẽ không phải lo lắng chuyện tín hiệu bị mất hoặc bị những tòa nhà cao tầng chặn lại. Bạn sẽ tự tin hơn trong việc nắm rõ mình hoặc phương tiện của mình đang ở đâu vào một thời điểm cụ thể", tiến sĩ Aisha Kaushik từ Trung tâm Vật chất Lạnh cho biết.

Trọng tâm của la bàn lượng tử là gia tốc kế với khả năng đo lường sự thay đổi vận tốc của một vật thể theo thời gian. Thông tin này, kết hợp với điểm vật thể bắt đầu di chuyển, giúp tính toán vị trí vật thể trong tương lai. Điện thoại di động và laptop có gia tốc kế, nhưng những phiên bản đó không thể duy trì độ chính xác trong thời gian dài.

Cơ học lượng tử mang đến một phương pháp có độ chính xác cao: Đo lường các nguyên tử siêu lạnh. Ở nhiệt độ cực thấp, các nguyên tử hoạt động theo kiểu lượng tử. Chúng hoạt động giống vật chất và giống sóng. "Khi các nguyên tử ở trạng thái siêu lạnh, chúng ta có thể sử dụng cơ học lượng tử để mô tả cách chúng chuyển động. Điều này giúp chúng ta thực hiện những phép đo chính xác để xác định thiết bị của mình đang thay đổi vị trí như thế nào", Cotter cho biết.

Hệ thống định vị lượng tử trên tàu điện ngầm ở London. (Ảnh: Đại học Hoàng gia London).

Bộ thiết bị mà Cotter mang lên tàu điện ngầm London (trong các chuyến thử nghiệm đường ray, không phải chuyến dịch vụ), rubidium được đưa vào buồng chân không ở trung tâm. Sau đó, nhóm nghiên cứu sử dụng tia laser mạnh để làm lạnh những nguyên tử này xuống gần độ 0 tuyệt đối (-273,15 độ C). Trong điều kiện như vậy, tính chất sóng của các nguyên tử rubidium chịu tác động từ sự gia tốc của phương tiện chở bộ thiết bị. Những thay đổi nhỏ này có thể được đo đạc một cách chính xác.

Cotter cho biết, hệ thống mới hoạt động tốt trong phòng thí nghiệm, nhưng cần thử nghiệm trong những điều kiện khắc nghiệt hơn nếu muốn biến nó thành một thiết bị độc lập, di động và sử dụng được ở những địa điểm xa xôi hoặc phức tạp. Các đường hầm tàu điện ngầm là lựa chọn lý tưởng cho nhiệm vụ này. Thậm chí, hệ thống tàu điện ngầm London sẽ hưởng lợi từ các cảm biến lượng tử mới vì không cần đến hàng trăm km cáp đang dùng để theo dõi vị trí của 540 chuyến tàu chạy dưới thành phố giờ cao điểm.

• Nghiên cứu mới tuyên bố không-thời gian chính là sản phẩm của cơ học lượng tử
• Giả thuyết mới khẳng định du hành thời gian là bất khả thi, nhưng lại cho ta một "siêu năng lực" khác
• Ba mâu thuẫn lớn trong cơ học lượng tử, nếu giải quyết được, nền văn minh nhân loại sẽ có những thay đổi mới!