Các nhà nghiên cứu Trung Quốc vừa dịch chuyển tức thời một hạt photon từ mặt đất lên vệ tinh đặt trên quỹ đạo cách 500km

Các nhà nghiên cứu Trung Quốc vừa dịch chuyển tức thời một hạt photon từ mặt đất lên vệ tinh đặt trên quỹ đạo với khoảng cách 500 km.

Vào năm ngoái, Một tên lửa Long March 2D đã khởi hành từ Trung Tâm Phóng Vệ Tinh Tửu Tuyền (Jiuquan) ở sa mạc Gobi mang theo một vệ tinh tên là Mặc tử (Micius), tên một triết gia Trung Quốc cổ đại qua đời năm 391 sau công nguyên. Tên lửa này đã đặt Vệ tinh Mặc Tử lên quỹ đạo đồng bộ Mặt trời (Sun-synchronous orbit), do đó nó sẽ đi qua một điểm cố định trên trái đất vào cùng một thời điểm mỗi ngày.

Mặc Tử, người được coi là ông tổ của Mặc Gia, vốn là trường phái triết học duy nhất trong lịch sử Trung Hoa xem trọng phản tư, logic và khoa học. Có lẽ đây là lý do vì sao tên ông đã trở thành biểu tượng cho dự án đầy tham vọng này.

Mặc Tử là một máy thu photon có độ nhạy cao có thể dò tìm các trạng thái lượng tử của từng photon riêng lẻ được bắn lên từ mặt đất. Đây là điều quan trọng bởi nó cần phải cho phép các nhà khoa học thử nghiệm các thành tố kĩ thuật từ nhiều dạng lượng tử như rối lượng tử, mật mã lượng tử, và kẻ cả dịch chuyển tức thời lượng tử nữa.

Ngày hôm nay, Nhóm Mặc Tử đã thông báo về kết quả của lần thử nghiệm đầu tiên. Họ đã tạo ra một mạng lưới lượng tử đất-vệ tinh đầu tiên, trong quá trình phá vỡ kỉ lục về khoảng cách xa nhất mà một rối (lượng tử) đo được. Và họ đã sử dụng mạng lưới lượng tử này để dịch chuyển tức thời photon đầu tiên từ mặt đất lên quỹ đạo.

Dịch chuyển tức thời đã chở thành một mục tiêu quy chuẩn với bất cứ mọt phòng thí nghiệm lượng tử quang học nào trên thế giới. Kĩ thuật này dựa trên một hiện tượng kì lạ của rối lượng tử. Điều này xảy ra khi hai vật thể lượng tử, ví dụ như hai photon, được hình thành cùng thời điểm và vị trí trong khoảng không và chia sẻ cùng một sự hiện hữu. Về mặt kĩ thuật mà nói, chúng có cùng hàm sóng.

Điều gây tò mò về rối lượng tử là hiện tượng chia sẻ hiện hữu (shared existence) này tiếp tục diễn ra ngay cả khi các photon bị phân tách ở bất cứ khoảng cách nào dù xa đến đâu.

Trở lại những năm 1990, các nhà khoa học đã nhận ra họ có thể sử dụng liên kết này để truyền thông tin lượng tử từ một điểm của vũ trụ đến điểm khác. Ý tưởng là 'tải về' tất cả các thông tin liên kết với một photon từ vị trí này, và truyền nó thông qua liên kết rối đến photon khác ở vị trí khác.

Photon thứ hai do đó sẽ chia sẻ nhận diện với photon thứ nhất. Và rồi, chính nó sẽ trở thành photon thứ nhất. Đây là bản chất tự nhiên của dịch chuyển tức thời và nó đã được thực hiện nhiều lần ở các phòng thí nghiệm trên trái đất.

Rối lượng tử

Dịch chuyển tức thời là một thành tố quan trọng của một phổ rộng các công nghệ khác nhau. "Dịch chuyên tức thời khoảng cách xa được nhận diện như là một nguyên liệu cho các quy trình như mạng lưới lượng tử quy mô lớn, hay điện toán lượng tử phân phối," Nhóm nghiên cứu Trung Quốc cho hay.

Trên lý thuyết, không có khoảng cách tối đa đánh dấu chấm hết cho hiện tượng rối lượng tử. Tuy nhiên Rối lượng tử là một thứ cực kì mong manh dễ vỡ bởi khi photon tương tác với vật chất của khí quyển hay bên trong sợi quang, hiện tượng này sẽ biến mất ngay lập tức.

Kết quả là, khoảng cách mà các nhà khoa học đo đạc rối lượng tử hay thực hiện dịch chuyển tức thời là cực kì có giới hạn. " Các thử nghiệm dịch chuyển tức thời trước đây giữa các khoảng cách xa được giới hạn ở mức dưới 100km, bởi sự mất mát photon trong các sợi quang hay các kênh không gian-tự do trên mặt đất," nhóm nghiên cứu cho biết.

Tuy nhiên Vệ tinh Mặc Tử đã thay đổi tất cả nhờ việc nó nằm trong quỹ đạo cách mặt đất 500km, và với phần lớn quãng đường này, bất cứ photon nào đang dịch chuyển cũng phần lớn là đi qua các khoảng chân không. Để giảm tối thiểu lượng không khí trên quãng đường này, các nhà khoa học Trung Quốc đã đặt trạm mặt đất ở Ngari Tây Tạng ở độ cao 4000 mét. Vậy nên khoảng cách từ mặt đất đến vệ tinh sẽ dao động trong khoảng 1400 km khi nó ở gần đường chân trời, cho đến quãng 500km khi nó ở ngay trên đỉnh đầu.

. “Chúng tôi đã tường thuật lại trường hợp dịch chuyển tức thời lượng tử đầu tiên của các hạt photon đơn độc lập từ đài quan sát mặt đất đến vệ tinh quỹ đạo tầm thấp của Trái Đất- thông qua một kênh đất-đối-không (uplink channel) – với khoảng cách lên tới 1400 km,”

Để thực hiện thí nghiệm này, Nhóm nghiên cứu đến từ Trung Quốc đã tạo nên các cặp photon trên mặt đất với tỉ lệ 4000 cặp/phút. Họ sau đó bắn một trong số các photon này lên vệ tinh, thứ dịch chuyển trên đầu chúng ta hàng ngày vào lúc nửa đêm. Họ giữ cho các photon khác ở trên mặt đất.

Cuối cùng, họ đếm các photon trên mặt đất và trên quỹ đạo để chứng minh rằng rối lượng tử thực sự đã diễn ra, và rằng họ có thể dịch chuyển tức thời các photon theo cách đó. Trong vòng hơn 32 ngày, họ đã gửi lên hàng triệu photon và thành công trong 911 trường hợp. “Chúng tôi đã tường thuật lại trường hợp dịch chuyển tức thời lượng tử đầu tiên của các hạt photon đơn độc lập từ đài quan sát mặt đất đến vệ tinh quỹ đạo tầm thấp của Trái Đất- thông qua một kênh đất-đối-không (uplink channel) – với khoảng cách lên tới 1400 km,” Nhóm nghiên cứu Trung Quốc cho biết.

Đây là lần đầu tiên một vật thể có thể dịch chuyển tức thời từ Trái Đất lên Quỹ Đạo, đánh dấu một kỉ lục mới về quãng đường xa nhất của một rối lượng tử.

Dự án tham vọng này cũng cho thấy Trung Quốc đang vươn mình trở thành một thế lực trong lĩnh vực này, lĩnh vực mà vốn luôn được dẫn dắt bởi Hoa Kì và Châu Âu. – Mặc Tử thực sự rất ấn tượng. Nhưng câu hỏi quan trọng hiện tại là Phương Tây sẽ phản ứng như thế nào với điều này.

Tham khảo: MIT Technology Review