Nhà khoa học gốc Việt tìm cách đưa đồng hồ nguyên tử vào không gian

TS Hoàng Thái cùng các cộng sự tại NASA tìm cách thu nhỏ đồng hồ nguyên tử độ chính xác cao để đưa vào các sứ mệnh không gian sâu.

TS Hoàng Thái là nhà nghiên cứu làm việc tại Phòng Thí nghiệm Sức đẩy Phản lực JPL của Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Mỹ NASA. Anh là trưởng nhóm (Principal Investigator), phụ trách hướng nghiên cứu phát triển cảm biến lượng tử. Lĩnh vực này khai thác các đặc tính của nguyên tử và hiện tượng lượng tử để thực hiện nhiều phép đo, như thời gian, trọng lực, trường điện từ hoặc các đại lượng vật lý với độ chính xác cao.

Theo TS Thái, các hệ thống lượng tử hiện nay được khai thác trong phòng thí nghiệm, nơi sử dụng những bàn quang học kích thước lớn cùng môi trường được kiểm soát chặt chẽ. "Bài toán ở đây là làm sao để đưa được hệ thống lượng tử đó ra khỏi phòng thí nghiệm", anh nói.

Mục tiêu của nhóm là phát triển đồng hồ có độ chính xác rất cao, đồng thời thu nhỏ và tăng độ bền để chúng có thể hoạt động ngoài không gian. Hiện việc xác định vị trí tàu vũ trụ ở khoảng cách lớn vẫn phụ thuộc nhiều vào trạm mặt đất. Tín hiệu được gửi từ Trái Đất đến tàu rồi phản hồi về, thời gian truyền qua lại được dùng để tính khoảng cách. Khi tàu đi ngày càng xa, độ trễ tín hiệu khiến phương thức này trở nên hạn chế.

Năm 2019, NASA từng thử nghiệm Deep Space Atomic Clock (DSAC), đồng hồ nguyên tử sử dụng ion thủy ngân, nhằm phát triển công nghệ phục vụ dẫn đường trong không gian sâu (deep space). Trong các thử nghiệm có kiểm soát trên Trái Đất, thiết bị được chứng minh có độ ổn định cao hơn tới 50 lần so với đồng hồ nguyên tử trên vệ tinh GPS và chỉ sai lệch khoảng một giây sau 10 triệu năm.

Tuy nhiên, đưa đồng hồ nguyên tử từ phòng thí nghiệm lên tàu vũ trụ không đơn giản là thu nhỏ kích thước. Các hệ thống lượng tử thường cần laser, chân không, từ trường, quang học chính xác và môi trường có độ rung, nhiệt độ được kiểm soát chặt chẽ.

Theo TS Thái, thiết bị cũng cần đảm bảo yêu cầu như nhỏ, nhẹ, đủ bền bỉ để chịu được điều kiện khắc nghiệt khi phóng và hoạt động ngoài không gian. Vệ tinh và tàu vũ trụ vốn có nguồn cung cấp năng lượng hạn chế, nên thiết bị cũng phải tiêu thụ rất ít điện.

Bài toán này được gọi là SWaP, gồm việc tối ưu yếu tố về kích thước (size), khối lượng (weight) và công suất tiêu thụ (power). Với cảm biến lượng tử, việc giảm cả ba yếu tố trong khi vẫn duy trì độ chính xác là một trong những yêu cầu quan trọng để công nghệ có thể rời phòng thí nghiệm.

TS Thái cho biết nhóm đang phát triển nhiều hướng đồng hồ khác nhau. Trong đó, đồng hồ vi sóng (microwave clock) được thu nhỏ xuống kích thước khoảng một lít, hướng tới khả năng thay thế đồng hồ tiêu chuẩn trên vệ tinh GPS trong tương lai.

Song song, họ cũng phát triển đồng hồ quang học (optical clock), trong đó có đồng hồ bẫy ion và đồng hồ quang học dùng mạng tinh thể stronti. "Mục tiêu dài hạn là thu nhỏ hệ thống đồng hồ mạng quang học để phóng vào không gian sâu phục vụ nghiên cứu khoa học", anh nói.

Jason Hyon, phụ trách Khối Khoa học và Công nghệ Trái Đất tại JPL, đánh giá vai trò của đồng hồ nguyên tử mà nhóm TS Thái phát triển không chỉ phục vụ cho vật lý cơ bản, mà còn đóng vai trò sống còn trong định vị và dẫn đường không gian sâu. "Khi thám hiểm bề mặt Mặt Trăng hay hành tinh xa xôi không có GPS, tàu đổ bộ hay xe tự hành bắt buộc phải có đồng hồ cực kỳ chính xác trên khoang", Hyon cho biết

Đưa công nghệ lượng tử ra khỏi phòng thí nghiệm

Công việc của nhóm Hoàng Thái nằm trong một hệ sinh thái nghiên cứu rộng tại JPL, nơi đang tìm cách ứng dụng nhiều dạng công nghệ lượng tử cho không gian.

Tại buổi chia sẻ với truyền thông do Trung tâm Báo chí Nước ngoài của Mỹ tổ chức cuối tháng 9, đại diện JPL cho biết con người đã ứng dụng vật lý lượng tử hơn 100 năm qua, với công nghệ như transistor bán dẫn, laser, đồng hồ nguyên tử. Công nghệ tiếp tục phát triển mạnh thời gian gần đây, được ví như "lượng tử thế hệ hai", khai thác các hiện tượng của cơ học lượng tử như trạng thái chồng chập (superposition) và rối lượng tử (entanglement).

"Chính những đặc tính kỳ lạ này mở ra cánh cửa cho máy tính lượng tử, bảo mật và cảm biến đo lường vượt giới hạn vật lý truyền thống. Đó là biên giới công nghệ mà chúng tôi đang theo đuổi", đại diện JPL chia sẻ.

Một trong các dự án JPL đang thực hiện là máy đo độ dốc trọng lực lượng tử. Trước đây, trong sứ mệnh đo trọng lực Trái Đất GRACE, các nhà khoa học sử dụng hai vệ tinh bay song song để đo những thay đổi rất nhỏ về khoảng cách giữa chúng khi đi qua những vùng có lực hấp dẫn thay đổi.

Trong khi đó, với máy đo độ dốc trọng lực lượng tử, JPL sử dụng hai "đám mây nguyên tử" được làm lạnh và giữ trong buồng chân không. Khi đi qua những vùng có dị thường trọng lực, hai đám mây nguyên tử chịu tác động khác nhau và sự thay đổi này được dùng để đo trường hấp dẫn. Cách tiếp cận này không cần GPS, mở ra khả năng đo trường hấp dẫn trên những thiên thể không có hệ thống vệ tinh định vị như Trái Đất.

Theo TS Thái, cảm biến lượng tử là một lĩnh vực công nghệ tiên phong, đòi hỏi nguồn lực đầu tư lớn và dài hạn cho cơ sở vật chất, thiết bị kỹ thuật và nhân lực chuyên môn cao. Khi hội tụ đủ tiềm lực tài chính, hạ tầng công nghệ và đội ngũ phù hợp, các công nghệ này có thể được phát triển thành những hệ thống hoạt động trong thực tế.

"Để có được những điều đó cần rất nhiều thời gian và nguồn lực đầu tư khổng lồ. Nhưng tôi nghĩ yếu tố quan trọng nhất vẫn là con người", anh nói.