Các nhà khoa học của Đại học Oxford lần đầu tiên phát hiện tương tác lượng tử bậc tư, mở ra những chân trời mới cho việc nghiên cứu bản chất của Vũ trụ

Bước đột phá lượng tử: lần đầu tiên tạo ra “nén bốn cấp”

*Các nhà khoa học Oxford đã khám phá một loại tương tác lượng tử mới có thể nâng cao độ chính xác của cảm biến và bộ mô phỏng.*

Nén trong cơ học lượng tử là gì?
Trong vật lý cổ điển, ta có thể đo chính xác cả vị trí lẫn vận tốc của một đối tượng. Trong thế giới lượng tử điều này không thể – nguyên tắc bất định của Heisenberg hạn chế việc biết đồng thời tọa độ và vận tốc của electron.

Khi chúng ta “nén” một trong các đại lượng (ví dụ, giảm sai số đo vị trí), phân bố xác suất thay đổi: thay vì hình tròn nó trở thành hình elip. Đây đã là trạng thái tinh vi hơn so với trường hợp cổ điển.

Điều gì mới mà nhà nghiên cứu đề xuất?
Nhóm Oxford lần đầu tiên trình diễn nén bốn cấp – một tương tác lượng tử bậc tư.

- Khác với “nén thường” (bậc hai), được sử dụng trong các bộ dò sóng hấp dẫn, nén bốn cấp tạo ra phân bố xác suất có hình dạng phức tạp hơn: không phải elip mà là “lá cánh và gai”.

- Các trạng thái này cho phép phát hiện tín hiệu yếu hơn nữa, mở đường tới cảm biến siêu nhạy.

Làm thế nào được thực hiện?
1. Hệ thống thí nghiệm – một ion bị bắt giữ.
2. Hai lực laser điều khiển (với tần số, pha và biên độ khác nhau) được áp dụng lên ion.
- Mỗi lực riêng lẻ chỉ gây ra hiệu ứng tuyến tính.
- Tương tác không giao hoán của chúng sinh ra một hành động lượng tử phi tuyến mạnh bậc tư.
3. Các tham số lực có thể thay đổi để “tắt” các hiệu ứng không mong muốn và kích hoạt loại nén cần thiết.

Kết quả: nén bốn cấp được tạo ra hơn 100 lần nhanh hơn so với phương pháp truyền thống.

Xác nhận và triển vọng
- Trạng thái chuyển động của ion đã được tái cấu trúc, xác nhận sự tồn tại của các hình dạng đặc trưng cho các bậc tương tác khác nhau.
- Hiện nay nhà nghiên cứu đang mở rộng phương pháp này sang các hệ thống đa chế độ và áp dụng nó vào các nền tảng lượng tử khác: mạch siêu dẫn, nguyên tử lạnh v.v.
- Phương pháp đã được sử dụng để tạo ra các trạng thái nén siêu phối và mô phỏng lý thuyết hiệu chỉnh lưới.

Điều này có nghĩa là gì?
- Mô phỏng lượng tử nhận được một công cụ mới để tạo ra các trạng thái lượng tử phức tạp.
- Cảm biến siêu chính xác có thể trở nên nhạy hơn, điều quan trọng cho quan sát sóng hấp dẫn và các phép đo độ chính xác cao khác.
- Khả năng kiểm soát tương tác bậc tư mở ra những chân trời mới trong tính toán lượng tử.

Như vậy, nén bốn cấp là bước đầu tiên hướng tới việc sử dụng “tương tác nặng” của lượng tử cho các nhiệm vụ thực tiễn mà trước đây dường như không thể đạt được.