Khi mà các sóng, bất chấp là sóng ánh sáng hay sóng âm thanh va chạm, chúng chồng chập với nhau và tạo ra sự giao thoa. Các nhà vật lý lượng tử ở Áo và Canada vừa công bố khả năng có thể bác bỏ sự tồn tại của của sự giao thoa bậc cao bằng thực nghiệm và qua đó khẳng định một chân lý của cơ học lượng tử: Quy tắc Born.

Trong cơ học lượng tử, nhiều định đề được tạo ra trong xác suất. Năm 1926, nhà vật lý người Đức Max Born đã đặt giả thiết rằng xác suất để tìm được một vật thể lượng tử ở một vị trí nhất định tại một thời điểm nhất định bằng bình phương hàm sóng của nó (xác định theo phương trình sóng Schrodinger). Một hệ quả trực tiếp của quy tắc này là hình ảnh giao thoa mà có thể chỉ ra một cách đơn giản theo thí nghiệm giao thoa nổi tiếng sử dụng hai khe của Young. Quy tắc Born là một trong những quy luật then chốt trong cơ học lượng tử và nó đề xuất rằng sự giao thoa xảy ra trong những cặp có thể. Sự giao thoa của bậc cao bị loại bỏ. Chưa hề có sự kiểm chứng thực nghiệm về đề xuất này cho đến nay. Và nhóm nghiên cứu lãnh đạo bởi Giáo sư Gregor Weihs từ Đại học Innsbruck, Áo và Đại học Waterloo (Canada) đã khẳng định sự chính xác của quy tắc Born từ các bằng chứng thực nghiệm cho thí nghiệm 3 khe. Weihs nói: “Sự tồn tại của các số hạng giao thoa bậc 3 có thể có một sự tác động lý thuyết một cách to lớn và có thể lung lay cơ học lượng tử cho đến tận nền tảng”. Sự thôi thúc để tiến hành thí nghiệm này đến từ các nhà vật lý nhằm tổng quát hóa cả cơ học lượng tử và lý thuyết hấp dẫn, hai trụ cột của vật lý hiện đại với mục tiêu có thể đạt được sự thống nhất từ đó đi đến một lý thuyết cho tất cả. “Thí nghiệm của chúng tôi có thể lại phá ngang sự cố gắng này” – Gregor Weihs giải thích.

Sơ đồ bố trí thí nghiệm giao thoa ánh sáng với nguồn đơn photon và hình ảnh mô tả tổ hợp các khe giao thoa (Sinha et al., Science 329 (2010) 418-421).

Gregor Weihs, Giáo sư Photonics tại Đại học Innsbruck cùng với nhóm của mình đang nghiên cứu về các nguồn sáng mới sử dụng cho truyền thông tin lượng tử. Ông đã phát triển nguồn một photon (single-photon source), được sử dụng cho việc kiểm chứng nguyên lý Born. Các photon được gửi qua một mặt nạ thép dạng màng (membrane) với ba khe có kích thước micron. Các thí nghiệm đã được tiến hành với các khe đặt gần nhau và tạo thành tổ hợp 8 khe độc lập (xem hình trên). Các kết quả thu được sẽ được sử dụng để tính toán khả năng áp dụng quy tắc Born. Gregor Weihs cho biết: “Trên nguyên tắc, thí nghiệm này là vô cùng đơn giản, và chúng tôi khá ngạc nhiên là mình đã tìm ra được điều mà không ai tiến hành trước đó”. Tuy nhiên, nhiều nhà vật lý còn phân vân với sai số của phép đo mặc dù Wehs rất vui với kết quả này: “Các thực nghiệm của chúng tôi đã chỉ ra rằng chúng ta có thể loại bỏ sự tồn tại của giao thoa bậc 3 ở một biên giới nhất định”. Bước tiếp theo của nhóm ông sẽ là làm giảm đi một cách đáng kể biên giới đó với một thí nghiệm được cải tiến. Các kết quả này vừa được công bố trên tạp chí Science.

Thí nghiệm đã được tiến hành tại Viện Máy tính Lượng tử tại Đại học Waterloo (Canada) nơi mà Gregor làm việc trước khi được bổ nhiệm làm Giáo sư tại Đại học Innsbruck (Áo). Từ năm 2008, ông đã tiến hành thiết lập một nhóm nghiên cứu do ông lãnh đạo tại Viện Vật lý Thực nghiệm, Đại học Innsbruck và nay đã trở thành một nhóm nghiên cứu với 12 thành viên. Nhóm nghiên cứu với nhiều thành viên đến từ nhiều nước trên thế giới đang nghiên cứu phát triển các nguồn đơn photon mới và các cặp photon vướng víu từ các cấu trúc nano bán dẫn. Mục tiêu lớn nhất của nhóm là tích hợp các thực nghiệm quang học lượng tử đa chức năng trên một con chip.

Vạn lý Độc hành (dịch từ ScienceDaily và Science)