Các nhà vật lý đã tìm ra một cách đo thời gian hoàn toàn mới

Thời gian qua lăng kính vật lý lượng tử

Đối với thế giới vĩ mô, đo thời gian thường là một nhiệm vụ đơn giản: đếm số giây trôi qua từ một thời điểm này đến một thời điểm khác. Thế nhưng, trong thế giới lượng tử - nơi các electron dao động không ngừng trong những đám mây xác suất thì thời gian trở thành một khái niệm phức tạp hơn. Không chỉ khó đoán định được "thì" của các hạt lượng tử, mà ngay cả "bây giờ" cũng trở nên mơ hồ, làm cho các phương pháp đo thời gian thông thường trở nên không khả thi.

Một nghiên cứu năm 2022 của các nhà khoa học tại Đại học Uppsala đã khám phá cách sử dụng hình dạng của những sóng lượng tử, hay còn gọi là các gói sóng Rydberg, để đo thời gian mà không cần một điểm mốc cụ thể.

Nguyên tử Rydberg và bản chất lượng tử

Nguyên tử Rydberg là những nguyên tử có electron được kích thích lên trạng thái năng lượng cực cao, quay quanh hạt nhân ở khoảng cách lớn hơn so với trạng thái bình thường. Để đạt được trạng thái này, các nhà khoa học sử dụng tia laser để "bơm" năng lượng vào nguyên tử.

Những nguyên tử Rydberg này không chỉ là công cụ nghiên cứu hữu ích trong vật lý cơ bản mà còn đóng vai trò quan trọng trong phát triển các công nghệ tiên tiến như máy tính lượng tử. Tuy nhiên, đặc điểm chuyển động của các electron trong trạng thái Rydberg không mang tính cố định như các hạt vật lý thông thường, mà chịu ảnh hưởng bởi các quy luật xác suất phức tạp.

Quy luật chuyển động của các electron trong trạng thái này được miêu tả bởi các gói sóng Rydberg. Tương tự như sóng trên mặt nước, sự giao thoa giữa nhiều gói sóng Rydberg trong cùng một không gian tạo nên những mẫu gợn sóng độc đáo. Chính những "dấu vân tay" thời gian này là chìa khóa để các nhà vật lý đo lường thời gian mà không cần xác định điểm bắt đầu cụ thể.

Phương pháp đo thời gian độc đáo

Trong thí nghiệm của mình, nhóm nghiên cứu tại Đại học Uppsala đã sử dụng tia laser để kích thích nguyên tử helium vào trạng thái Rydberg. Sau đó, họ quan sát sự giao thoa giữa các gói sóng Rydberg và so sánh kết quả với các mô hình lý thuyết.

Kết quả cho thấy, mỗi mẫu giao thoa này đại diện cho một khoảng thời gian cụ thể. Theo nhà vật lý Marta Berholts, trưởng nhóm nghiên cứu, điểm đặc biệt của phương pháp này là không cần phải thiết lập một điểm mốc thời gian ban đầu. Bằng cách phân tích cấu trúc giao thoa, các nhà khoa học có thể xác định thời gian trôi qua mà không cần biết thời điểm bắt đầu.

"Lợi ích lớn của phương pháp này là bạn không cần phải khởi động đồng hồ. Chỉ cần nhìn vào cấu trúc giao thoa và nói, 'Được rồi, đã 4 nano giây trôi qua'", Marta Berholts giải thích.

Phương pháp này cũng cho phép đo lường thời gian ở các khoảng ngắn đến kinh ngạc, chỉ 1,7 phần nghìn tỷ giây. Điều này mở ra khả năng áp dụng trong các lĩnh vực yêu cầu độ chính xác cực cao, nơi thời gian trôi qua giữa hai sự kiện có thể rất nhỏ và khó xác định.

Ứng dụng và triển vọng

Nghiên cứu về phương pháp đo thời gian dựa trên trạng thái Rydberg không chỉ dừng lại ở helium. Trong tương lai, các nhà khoa học có thể sử dụng các nguyên tử khác hoặc điều chỉnh năng lượng của tia laser để mở rộng khả năng ứng dụng.

Một lĩnh vực tiềm năng là điện toán lượng tử, nơi thời gian chính xác đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý và lưu trữ thông tin lượng tử. Ngoài ra, phương pháp này có thể giúp theo dõi các sự kiện thoáng qua ở cấp độ lượng tử, hỗ trợ nghiên cứu trong vật lý cơ bản và các công nghệ nano.

Thách thức và cơ hội

Dù mang lại nhiều hứa hẹn, phương pháp này vẫn đối mặt với một số thách thức. Việc mở rộng thí nghiệm sang các nguyên tử và năng lượng laser khác đòi hỏi sự chính xác và đồng bộ hóa cao hơn. Tuy nhiên, nếu vượt qua được những trở ngại này, kỹ thuật đo thời gian dựa trên gói sóng Rydberg có thể thay đổi cách chúng ta đo lường và hiểu về thời gian ở quy mô nhỏ nhất của vũ trụ.

Nghiên cứu này, được công bố trên tạp chí Physical Review Research, đánh dấu một bước tiến quan trọng trong hành trình khám phá bí mật của thời gian. Không chỉ mang lại hiểu biết mới về thế giới lượng tử, nó còn mở ra cánh cửa cho những ứng dụng công nghệ chưa từng có, đưa nhân loại tiến gần hơn đến việc chinh phục những giới hạn của khoa học và thời gian.