Các nhà nghiên cứu từ phòng thí nghiệm quang tử học của ETH Zurich và Viện Khoa học Quang tử tại Barcelona đã tạo ra một bước đột phá quan trọng trong vật lý lượng tử. Họ đã chứng minh thành công sự phân tán lượng tử có kiểm soát của một hạt nano silica lơ lửng trong bẫy quang học. Thí nghiệm này, được công bố trên tạp chí Physical Review Letters, là một bước đi quan trọng hướng tới việc khám phá giới hạn của cơ học lượng tử và các ứng dụng công nghệ tiềm năng của nó.
Dưới điều kiện lý tưởng, độ dài kết hợp lượng tử của một hạt nano lơ lửng bị giới hạn bởi chuyển động không điểm, khiến việc quan sát giao thoa lượng tử ở các vật thể lớn hơn trở nên khó khăn. Nhóm nghiên cứu đã vượt qua rào cản này bằng cách sử dụng phương pháp mở rộng có kiểm soát. Họ đã triển khai một hệ thống nhíp quang học được điều biến, cho phép họ "làm mềm" và "làm cứng" bẫy ánh sáng theo các khoảng thời gian micro giây.
Cách tiếp cận sáng tạo này đã dẫn đến sự gia tăng hơn gấp ba lần độ dài kết hợp ban đầu, mở rộng từ khoảng 21 picomet lên hơn 70 picomet trong các trường hợp tốt nhất. Độ dài kết hợp là yếu tố cơ bản để một hạt thể hiện giao thoa lượng tử; kết hợp lớn hơn làm tăng xác suất hệ thống thể hiện hành vi giống sóng này.
Mặc dù các con số đạt được vẫn còn nhỏ, chúng cho thấy rằng việc mở rộng có kiểm soát là khả thi mà không làm mất đi sự tinh khiết lượng tử của hạt. Điều này mở ra những con đường mới để khám phá các hiện tượng trước đây chỉ quan sát được ở các hệ thống nguyên tử hoặc phân tử, đưa cơ học lượng tử đến gần hơn với thế giới vĩ mô.
Ngoài ý nghĩa cơ bản, kỹ thuật này còn có tiềm năng ứng dụng trong việc phát triển các cảm biến lực lượng tử. Một hạt nano có kết hợp cao có thể phát hiện những biến đổi nhỏ nhất trong trường điện hoặc trường hấp dẫn. Độ chính xác có thể đạt được với một hệ thống như vậy có thể vượt trội hơn các công nghệ hiện tại.
Nghiên cứu này cũng phù hợp với các tiến bộ khác trong lĩnh vực quang học lơ lửng hạt nano, ví dụ như dự án QnanoMECA, được tài trợ bởi Hội đồng Nghiên cứu Châu Âu (ERC). Dự án này đã thành công trong việc giảm năng lượng cơ học của các bộ dao động nano cơ học lượng tử, đưa chúng đến gần hơn với chế độ lượng tử của các phonon riêng lẻ. Những tiến bộ này có thể đóng góp vào việc phát triển một thế hệ cảm biến cơ học mới, hiệu suất cao cho điều hướng và địa chấn học.
Về bản chất, khả năng kiểm soát sự phân tán lượng tử trong các hạt nano lơ lửng đại diện cho một bước nhảy vọt trong việc hiểu và áp dụng cơ học lượng tử ở quy mô vĩ mô, mở ra những khả năng mới cho cả nghiên cứu cơ bản và phát triển các công nghệ lượng tử tiên tiến.