Năm 1801, nhà vật lý Thomas Young đã thực hiện một thí nghiệm kinh điển, mãi mãi thay đổi hiểu biết của chúng ta về bản chất của ánh sáng. Bằng cách chiếu ánh sáng qua hai khe hẹp trên một màn chắn (khe trong không gian), ông đã chứng minh rằng ánh sáng có tính chất sóng. Hơn 200 năm sau, một nhóm các nhà khoa học đã tái tạo lại thí nghiệm huyền thoại này với một bước ngoặt không tưởng: thay vì tạo ra các khe hở trong không gian, họ đã sử dụng tia laser để "cắt" những khe hở trong chính dòng chảy của thời gian.
Kết quả, được công bố trên tạp chí uy tín Nature Physics, không chỉ là một kỳ công về mặt kỹ thuật mà còn mở ra những tiềm năng to lớn cho một thế hệ máy tính tương lai và làm sâu sắc thêm sự hiểu biết của chúng ta về vũ trụ ở cấp độ cơ bản nhất.
Từ "Khe Không Gian" Đến "Khe Thời Gian"
Để hiểu được sự đột phá này, trước hết cần nhắc lại thí nghiệm khe đôi cổ điển. Khi ánh sáng đi qua hai khe hẹp trong không gian, nó sẽ tự giao thoa với chính nó, tạo ra một mô hình các vạch sáng tối xen kẽ trên màn hứng phía sau, tương tự như sóng nước.
Trong thí nghiệm mới, các nhà nghiên cứu đã đặt ra một câu hỏi táo bạo: Liệu chúng ta có thể tạo ra một hiện tượng tương tự bằng cách điều khiển ánh sáng trong miền thời gian hay không? Thay vì một màn chắn vật lý có khe hở, họ cần một loại "cửa chớp" có thể đóng mở với tốc độ không tưởng.
Vật Liệu Smartphone và Tốc Độ Femto Giây
Chìa khóa của thí nghiệm nằm ở một vật liệu quen thuộc: Oxit thiếc indi (ITO), một chất dẫn điện trong suốt được sử dụng trong hầu hết các màn hình điện thoại thông minh. Các nhà khoa học biết rằng đặc tính quang học của ITO (khả năng phản xạ ánh sáng) có thể thay đổi khi bị tia laser chiếu vào.
Tuy nhiên, phát hiện mới của họ là tốc độ của sự thay đổi này nhanh đến mức kinh ngạc: nó diễn ra trong vòng chưa đầy mười femto giây. Một femto giây là một phần triệu của một phần tỷ giây – một khoảng thời gian ngắn đến mức trong một giây, ánh sáng có thể đi từ Trái Đất đến Mặt Trăng và quay trở lại, thì trong một femto giây, nó chỉ đi được một quãng đường bằng chiều rộng của một sợi tóc.
Tốc độ chuyển đổi gần như tức thời này chính là thứ họ cần để tạo ra "khe thời gian".
Quy Trình Thí Nghiệm
Thí nghiệm được tiến hành như sau:
- Họ chuẩn bị một màng ITO siêu mỏng.
- Một tia laser "bơm" (pump laser) cực mạnh và cực ngắn được bắn vào màng ITO. Tia laser này làm thay đổi các electron trong vật liệu, khiến nó đột ngột chuyển từ trạng thái trong suốt sang phản chiếu trong một khoảnh khắc cực ngắn.
- Khoảnh khắc ngắn ngủi mà màng ITO trở nên phản chiếu này hoạt động như một "bức tường" trong thời gian. Các khoảng thời gian ngay trước và sau khi nó phản chiếu (khi nó còn trong suốt) chính là các "khe thời gian".
- Gần như đồng thời, một chùm laser "thăm dò" (probe laser) yếu hơn được bắn xuyên qua màng ITO đúng vào khoảnh khắc chuyển đổi đó.
Kết quả thật ngoạn mục: chùm tia laser thăm dò sau khi đi qua "khe thời gian" cũng tạo ra một mô hình giao thoa. Nhưng đây không phải là mô hình sáng-tối trong không gian, mà là một sự thay đổi trong phổ tần số của nó – tức là màu sắc của ánh sáng bị biến đổi một cách có quy luật.
Ý Nghĩa Đột Phá: Tương Lai Của Máy Tính Ánh Sáng
Dù nghe có vẻ trừu tượng, thí nghiệm này không phải là về việc du hành thời gian như trong phim khoa học viễn tưởng. Ý nghĩa thực tiễn của nó vô cùng to lớn, đặc biệt là trong lĩnh vực máy tính tương tự (analog computing).
Không giống như máy tính kỹ thuật số hiện tại sử dụng các bit 0 và 1, máy tính tương tự có thể xử lý thông tin bằng cách sử dụng các đặc tính vật lý liên tục của sóng, trong trường hợp này là sóng ánh sáng. Bằng cách tạo ra các "khe thời gian", các nhà khoa học có thể:
- Đọc và ghi dữ liệu được mã hóa trực tiếp trên các thuộc tính của chùm ánh sáng (như tần số/màu sắc).
- Thực hiện các phép tính phức tạp với tốc độ ánh sáng, vượt xa khả năng của máy tính điện tử truyền thống đối với một số tác vụ nhất định như mô phỏng vật lý hoặc học máy.
- Tạo ra các siêu vật liệu (metamaterials) có khả năng điều khiển ánh sáng theo những cách chưa từng có.
Kết luận: Bằng cách học cách "cắt" những khe hở trong những khoảng thời gian ngắn không tưởng, các nhà khoa học không chỉ tái tạo một thí nghiệm vật lý cổ điển. Họ đang mở ra một lĩnh vực hoàn toàn mới, nơi thời gian trở thành một công cụ để điều khiển vật chất và năng lượng. Khám phá này có thể là bước đầu tiên hướng tới một thế hệ công nghệ mới, nơi các phép tính được thực hiện bằng chính ánh sáng, hứa hẹn một tương lai với tốc độ xử lý mà chúng ta chưa từng dám mơ tới.
