Các nhà nghiên cứu đã sử dụng công nghệ máy ảnh tiên tiến để trực quan hóa hàm sóng của hai photon vướng víu trong thời gian thực, tiên phong về kỹ thuật tái tạo lại trạng thái lượng tử hoàn chỉnh của các hạt vướng víu một cách nhanh chóng và hiệu quả. Cách tiếp cận cải tiến này nhanh hơn nhiều lần so với các phương pháp trước đây, chỉ mất vài phút hoặc vài giây thay vì vài ngày và dự kiến sẽ thúc đẩy sự phát triển của công nghệ lượng tử bằng cách tăng cường đặc tính trạng thái lượng tử, truyền thông lượng tử và kỹ thuật hình ảnh lượng tử.
Một công nghệ mới dựa trên nhiếp ảnh tiên tiến chứng tỏ một phương pháp tái tạo lại trạng thái lượng tử hoàn chỉnh của các hạt vướng víu một cách nhanh chóng và hiệu quả.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Ottawa, phối hợp với Danilo Zia và Fabio Sciarrino của Đại học Sapienza ở Rome, gần đây đã trình diễn một kỹ thuật mới cho phép hiển thị theo thời gian thực các hàm sóng của hai photon vướng víu, các hạt cơ bản tạo nên ánh sáng.
Sử dụng một đôi giày làm ví dụ tương tự, khái niệm vướng víu có thể được ví như việc chọn ngẫu nhiên một chiếc giày. Thời điểm bạn xác định được một chiếc giày, bản chất của chiếc giày kia (là giày trái hay giày phải) sẽ ngay lập tức được nhận thấy, bất kể vị trí của nó trong vũ trụ. Tuy nhiên, điều đáng chú ý là sự không chắc chắn cố hữu liên quan đến quá trình nhận dạng cho đến thời điểm quan sát chính xác.
Hàm sóng là nguyên lý cốt lõi của cơ học lượng tử, cung cấp sự hiểu biết toàn diện về trạng thái lượng tử của các hạt. Ví dụ, trong trường hợp giày, "hàm sóng" của giày có thể mang thông tin như trái và phải, kích thước, màu sắc, v.v. Chính xác hơn, hàm sóng cho phép các nhà khoa học lượng tử dự đoán kết quả có thể có của các phép đo khác nhau của các thực thể lượng tử, chẳng hạn như vị trí, vận tốc, v.v.
Ảnh (trái sang phải): Tiến sĩ Alessio D'Errico, Tiến sĩ Ebrahim Karimi và Nazanin Dehghan. Nguồn ảnh: Đại học Ottawa
Khả năng dự đoán này cực kỳ có giá trị, đặc biệt là trong lĩnh vực công nghệ lượng tử đang phát triển nhanh chóng. Hiểu được các trạng thái lượng tử được tạo ra hoặc đầu vào bởi máy tính lượng tử sẽ cho phép chúng ta tự kiểm tra các máy tính đó. Hơn nữa, các trạng thái lượng tử được sử dụng trong điện toán lượng tử cực kỳ phức tạp, liên quan đến nhiều thực thể có thể biểu hiện mối tương quan phi cục bộ mạnh mẽ (sự vướng víu).
Tìm hiểu hàm sóng của một hệ lượng tử như vậy là một nhiệm vụ cực kỳ khó khăn - đây còn được gọi là chụp cắt lớp trạng thái lượng tử hoặc chụp cắt lớp lượng tử. Chụp cắt lớp toàn diện sử dụng các phương pháp tiêu chuẩn (dựa trên cái gọi là thao tác chiếu) đòi hỏi số lượng phép đo lớn và số lượng phép đo tăng nhanh theo độ phức tạp (kích thước) của hệ thống.
Các thí nghiệm trước đây của nhóm nghiên cứu sử dụng phương pháp này đã chỉ ra rằng việc mô tả hoặc đo lường trạng thái lượng tử có chiều cao hơn của hai photon vướng víu có thể mất hàng giờ hoặc thậm chí nhiều ngày. Hơn nữa, chất lượng của kết quả rất nhạy cảm với nhiễu và phụ thuộc vào độ phức tạp của thiết lập thử nghiệm.
Phương pháp đo hình chiếu của chụp cắt lớp lượng tử có thể được hiểu là quan sát bóng của các vật thể có chiều cao được chiếu từ các hướng độc lập lên các bức tường khác nhau. Tất cả những gì các nhà nghiên cứu có thể nhìn thấy là những cái bóng này và từ những cái bóng này họ có thể suy ra hình dạng (trạng thái) của toàn bộ vật thể. Ví dụ: trong chụp CT (chụp cắt lớp điện toán), thông tin về vật thể ba chiều có thể được tái tạo từ một tập hợp hình ảnh hai chiều.
Tuy nhiên, trong quang học cổ điển, có một cách khác để tái tạo lại các vật thể ba chiều. Phương pháp này, được gọi là ảnh ba chiều kỹ thuật số, dựa trên một hình ảnh duy nhất, được gọi là mẫu giao thoa, thu được bằng cách giao thoa ánh sáng tán xạ bởi một vật thể có ánh sáng tham chiếu.
Một nhóm nghiên cứu do Ebrahim Karimi, Chủ tịch nghiên cứu Canada về Sóng lượng tử cấu trúc, Đồng Giám đốc Viện Công nghệ lượng tử (NexQT) ở Ottawa, và Phó Giáo sư tại Khoa Khoa học, dẫn đầu, đã mở rộng khái niệm này cho trường hợp hai photon. Việc tái tạo trạng thái hai photon đòi hỏi phải đặt nó với trạng thái lượng tử giả định đã biết rõ và sau đó phân tích sự phân bố không gian của các vị trí nơi cả hai photon đến đồng thời. Việc chụp ảnh hai photon đến cùng lúc được gọi là chụp ảnh trùng hợp ngẫu nhiên. Những photon này có thể đến từ một nguồn tham chiếu hoặc từ một nguồn không xác định. Cơ học lượng tử phát biểu rằng không thể xác định được nguồn gốc của photon. Điều này tạo ra một mô hình giao thoa có thể được sử dụng để tái tạo lại hàm sóng chưa biết. Thử nghiệm này được thực hiện nhờ các camera tiên tiến ghi lại các sự kiện ở mọi pixel với độ phân giải nano giây (1.000.000.000 giây).
Dr. Alessio D'Errico, một trong những đồng tác giả của bài báo và là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Đại học Ottawa, nhấn mạnh những ưu điểm to lớn của phương pháp cải tiến này: "Phương pháp này nhanh hơn nhiều lần so với các kỹ thuật trước đây và chỉ mất vài phút hoặc vài giây. Điều quan trọng là thời gian phát hiện không bị ảnh hưởng bởi độ phức tạp của hệ thống - một giải pháp cho những thách thức về khả năng mở rộng lâu dài trong chụp cắt lớp chiếu." tác động của nghiên cứu này không chỉ giới hạn ở giới học thuật. Nó có khả năng đẩy nhanh những tiến bộ trong công nghệ lượng tử, chẳng hạn như cải thiện đặc tính trạng thái lượng tử, truyền thông lượng tử và phát triển các kỹ thuật hình ảnh lượng tử mới.