Công nghệ lượng tử mới cho phép quan sát được những thứ gần như vô hình

Các nhà khoa học tại Đại học Illinois Urbana-Champaign (UIUC) vừa công bố một thiết bị đo đạc mới, cho phép thực hiện các phép đo chính xác ở quy mô nanomet, ngay cả trong những điều kiện khó khăn. Thiết bị này, được gọi là máy đo giao thoa lượng tử, sử dụng nguyên lý nhiễu xạ ánh sáng nhưng thay vì ánh sáng thông thường, nó sử dụng cặp photon được "vướng víu lượng tử" để tạo ra tín hiệu rõ nét hơn và mạnh hơn, không bị ảnh hưởng bởi nhiễu xung quanh.

Máy đo giao thoa ứng dụng công nghệ lượng tử.

Sự “vướng víu lượng tử” là hiện tượng mà trạng thái lượng tử của mỗi hạt trong một nhóm không thể được mô tả độc lập với trạng thái của các hạt khác, ngay cả khi các hạt cách nhau một khoảng cách lớn.

Trước đây, máy đo giao thoa truyền thống chia chùm ánh sáng thành hai phần: một phần đi qua mẫu vật và phần còn lại làm chuẩn tham chiếu. Khi hai chùm sáng gặp nhau, chúng tạo ra sóng giao thoa, cho phép phát hiện những thay đổi nhỏ trong mẫu vật. Tuy nhiên, phương pháp này gặp khó khăn trong môi trường quá sáng hoặc khi mẫu vật quá nhạy cảm.

Máy đo giao thoa lượng tử khắc phục những hạn chế này bằng cách sử dụng cặp photon lượng tử. Một photon đi qua mẫu vật, trong khi photon còn lại đi qua đường tham chiếu. Khi cả hai được phát hiện đồng thời, chúng tạo ra tín hiệu giao thoa rõ ràng, ngay cả trong điều kiện ánh sáng yếu hoặc môi trường không lý tưởng. Theo nhà nghiên cứu Colin Lualdi, việc phát hiện đúng cặp photon giúp duy trì độ tương phản của tín hiệu, điều mà máy đo giao thoa thông thường không thể làm.

Để tăng cường độ nhạy, nhóm nghiên cứu áp dụng kỹ thuật "vướng víu màu sắc cực đại", ghép cặp hai photon có màu sắc khác nhau, như đỏ và xanh dương. Kỹ thuật này cho phép thiết bị đo được những thay đổi cực nhỏ mà không cần sử dụng ánh sáng mạnh.

Kết quả thử nghiệm cho thấy thiết bị có khả năng đo độ dày của một lớp màng kim loại siêu mỏng chỉ trong vài giây, với kết quả hoàn toàn trùng khớp với phương pháp đo bằng kính hiển vi lực nguyên tử, một công cụ rất chính xác trong phòng thí nghiệm. Điều này chứng minh rằng máy đo giao thoa lượng tử có thể hoạt động nhanh chóng, chính xác và an toàn với các mẫu vật nhạy cảm.

Công nghệ này mở ra nhiều tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực như y học, sinh học và kỹ thuật. Trong y học, nó có thể giúp bác sĩ quan sát mô sống mà không làm tổn thương tế bào. Trong sinh học, thiết bị có thể nghiên cứu các sinh vật nhạy sáng mà không làm thay đổi hành vi của chúng. Trong kỹ thuật, nó có thể được sử dụng để giám sát vật liệu hoặc linh kiện trong môi trường ngoài trời.

Tuy nhiên, thiết bị hiện tại vẫn còn phức tạp với nhiều linh kiện nhỏ cần căn chỉnh chính xác. Nhóm nghiên cứu hy vọng sẽ đơn giản hóa thiết kế trong tương lai, đưa công nghệ này ra khỏi phòng thí nghiệm và ứng dụng vào thực tế.

Phan Hoàng - Interesting Engineering