Nhờ các công trình thực nghiệm có tính đột phá trong lĩnh vực vật lý lượng tử, ba nhà khoa học John Clauser, Alain Aspect, và Anton Zeilinger đã đoạt giải Nobel Vật lý năm 2022. Các công trình của ba nhà khoa học này, được thực hiện độc lập với nhau, đã chứng tỏ rằng hiệu ứng rối lượng tử (quantum entanglement) – một trong những hiệu ứng  kỳ dị nhất trong vật lý lượng tử – thực sự tồn tại chứ không hề quái dị như Einstein từng đề cập. Hơn thế nữa, những thực nghiệm tiên phong này đã đặt nền móng để mở ra một kỷ nguyên mới của công nghệ lượng tử như máy tính lượng tử, mật mã lượng tử, viễn tải lượng tử.

Rối lượng tử là gì?

Rối lượng tử (còn được gọi là vướng víu lượng tử) là một hiệu ứng kỳ lạ trong Cơ học lượng tử trong đó trạng thái của hai hay nhiều vật thể có liên hệ tức thời với nhau bất kể khoảng cách giữa chúng xa đến đâu.

Hình 1: Minh họa về cặp hạt bị rối lượng tử.

Ví dụ, có thể tạo ra một cặp điện tử có liên kết (rối/vướng mắc) với nhau sao cho ở một thời điểm cụ thể nếu ta thực hiện phép quan sát trạng thái lượng tử của điện tử này thì ngay lập tức biết được trạng thái lượng tử của điện tử kia, bất chấp hai điện tử này ở xa nhau đến đâu, (nếu ta quan sát thấy spin của điện tử thứ nhất quay xuống dưới (down) thì ngay lập tức biết (hoặc đồng thời quan sát được) spin của điện tử kia sẽ phải quay lên trên (up), và ngược lại; hoặc cũng có thể tạo ra một cặp photon (cặp hạt ánh sáng) sao cho nếu quan sát thấy mặt phẳng phân cực (tức mặt phẳng dao động của véc tơ cường độ điện trường) của photon thứ nhất theo phương ngang thì mặt phẳng phân cực của photon kia sẽ theo phương thẳng đứng; một lưu ý quan trọng ở đây đó là cơ học lượng tử không tiên đoán (biết trước) được kết quả phép đo trên hạt thứ nhất (ta không biết được trạng thái lượng tử của hạt thứ nhất khi thực hiện phép đo là spin up hay spin down). Điều này hàm ý khi ta thực hiện phép đo trên vật thể này thì ngay lập tức có ảnh hưởng trực tiếp đến trạng thái lượng tử trên vật thể kia, dù hai vật thể có khoảng cách xa đến mức nào (việc này vi phạm thuyết tương đối hẹp vốn xác quyết vận tốc tối đa trong không gian là vận tốc ánh sáng). Đây là một hiện tượng chỉ tồn tại trong Cơ học lượng tử từng làm đau đầu những bộ óc vĩ đại nhất, bao gồm cả Albert Einstein – người thiết lập thuyết tương đối và cũng là một trong những nhà khoa học tiên phong đặt nền móng cho cơ học lượng tử.

Nghịch lý ERP (Einstein – Podolsky – Rosen)

Có thể coi lịch sử của rối lượng tử bắt đầu bằng Nghịch lý EPR (EPR là viết tắt của Albert Einstein, Boris Podolsky và Nathan Rosen) do Einstein và cộng sự công bố vào năm 1935 [1]. Đây là một thí nghiệm tư duy, trong đó ba nhà khoa học nói trên thực hiện thí nghiệm giả tưởng trên một cặp hạt được tạo ra theo các nguyên lý của cơ học lượng tử. Hiệu ứng xảy ra trong thí nghiệm tư duy này sau đó được Erwin Schrӧdinger (Nobel Vật lý năm 1933) gọi là cặp hạt bị rối lượng tử (entangled) [2]. Theo Einstein, Podolsky và Rosen, nếu dựa trên cơ học lượng tử, có thể tách hai hạt trong cặp hạt bị rối lượng tử ra xa nhau tùy ý nhưng cặp hạt này vẫn thể hiện tính chất như một thực thể thống nhất. Cụ thể, nếu phép đo xác định được vị trí của hạt thứ nhất thì hoàn toàn có thể biết được vị trí của hạt thứ hai. Điều tương tự cũng đúng với động lượng của mỗi hạt. Einstein, Podolsky và Rosen lập luận rằng không thể có một tác động nào (của phép đo) lên hạt thứ nhất lại có thể ngay lập tức ảnh hưởng đến hạt thứ hai, vì điều này có nghĩa là thông tin tác động có thể truyền nhanh hơn vận tốc ánh sáng và như vậy nó vi phạm thuyết tương đối hẹp. Do đó, Einstein, Podolsky và Rosen đưa ra giả thuyết rằng rối lượng tử chỉ có thể xảy ra nếu hạt thứ hai phải đồng thời chứa đựng sẵn thông tin xác định cả về vị trí và động lượng trước khi được đo, tuy nhiên điều này lại trái với hệ thức bất định Heinsenberg – một trong những hệ thức cơ bản và là nền tảng của cơ học lượng tử  – theo đó, chúng ta không thể đồng thời cùng lúc có được thông tin chính xác về vị trí và động lượng của một vi hạt. Do đó, Einstein, Podolsky và Rosen kết luận rằng cơ học lượng tử chưa hoàn chỉnh, còn hiện tượng rối lượng tử của cơ học lượng tử bị Einstein gán cho tên gọi hiện tượng quái dị (spooky action at a distance) với hàm ý không thực sự tồn tại.  

Bất đẳng thức Bell

Sau Nghịch lý EPR, một số nhà khoa học lập luận rằng có thể có một lý thuyết (khác với cơ học lượng tử) mô tả hoàn chỉnh hơn về thế giới, ví dụ bằng cách sử dụng những thông tin ẩn (hay biến ẩn) trong mỗi hạt. Khi đó tất cả các phép đo sẽ cho thấy tính chất tồn tại chính xác tại những vị trí và phép đo được thực hiện.

Hiệu ứng rối lượng tử của cặp vi hạt thoạt nhìn có vẻ dễ giải thích nếu chúng ta liên tưởng tới cặp quả bóng thay vì cặp vi hạt. Chúng ta có thể làm một thí nghiệm với một cặp gồm một quả bóng đen và một quả bóng trắng, trong đó hai quả bóng được chuyền đi theo hai hướng đối diện. Người quan sát bắt một quả bóng và thấy rằng nó màu đen sẽ ngay lập tức biết rằng quả bóng kia màu trắng (Hình 2). Quá dễ đúng không nhỉ?

Hình 2. Mô hình lý thuyết cặp quả bóng chứa biến ẩn [3].

Vấn đề ở chỗ trong cơ học lượng tử, khác với quan sát thông thường quanh ta, vi hạt không có trạng thái xác định cho đến khi nó được đo, như thể cả hai trái bóng đều có màu xám cho đến khi ai đó nhìn thấy chúng (Hình 3) [3]. Ngược lại, theo lý thuyết dựa trên biến ẩn, mỗi quả bóng đều đã chứa thông tin ẩn quy định màu nào chúng cần bộc lộ khi có ai đó quan sát chúng. Vậy làm thế nào để phân biệt được cơ học lượng tử hay lý thuyết dựa trên biến ẩn chi phối hiệu ứng rối lượng tử?

Hình 3. Mô hình Cơ học lượng tử về cặp hạt bị rối lượng tử [3].

Gần ba mươi năm kể từ ngày Nghịch lý EPR được công bố, câu hỏi trên mới có đề xuất hướng giải quyết. John Steward Bell (1928 – 1990) phát hiện ra một dạng thực nghiệm (Bell đề xuất ý tưởng chứ không thực hiện) có thể giúp giải quyết vấn đề này [4]. Theo Bell, nếu thí nghiệm của ông được thực hiện với số lần đủ lớn, tất cả các lý thuyết dựa trên biến ẩn sẽ có độ tương quan (correlation) trong kết quả đo giữa hai hạt không thể vượt quá một giá trị giới hạn xác định. Đây chính là bất đẳng thức Bell. Ngược lại, cơ học lượng tử có thể vi phạm bất đẳng thức Bell và dự đoán độ tương quan sẽ vượt giá trị giới hạn nói trên. Điều sau này về sau được xác thực bởi các thí nghiệm của John Clauser, Alain Aspect và Anton Zeilinger. Như vậy, thực nghiệm của ba nhà khoa học này cho thấy rối lượng tử là hiệu ứng thực sự tồn tại và tuân theo quy luật của cơ học lượng tử chứ không phải các lý thuyết dựa trên biến ẩn.

Thí nghiệm của John Clauser, Alain Aspect và Anton Zeilinger về rối lượng tử

Năm 1972, Tiến sỹ Clauser cùng với nghiên cứu sinh Stuart Freedman (1944- 2012) tiến hành thực hiện thí nghiệm để kiểm tra hiệu ứng rối lượng tử [5]. Cần phải nói rằng tại thời điểm đó hầu hết các nhà khoa học đều không quan tâm đến vấn đề này. Chẳng hạn Richard Feynman, một nhà vật lý lừng danh khi đó (giải Nobel Vật lý năm 1965 vì những đóng góp quan trọng cũng trong lĩnh vực cơ học lượng tử), thậm chí chẳng hề có ấn tượng với nghiên cứu này và gần như đã “tống cổ” Clauser ra khỏi văn phòng khi Clauser tìm cách thảo luận với Feynman về thí nghiệm này [6]. Hầu hết đồng nghiệp của Clauser đều cho rằng đó là một sự lãng phí thời gian và khuyên ông nên nghiên cứu một lĩnh vực gì đó nghiêm túc hơn, thực sự liên quan đến khoa học [6]!!!. Nhưng Clauser thực sự bền bỉ, vẫn quyết tâm theo đuổi ý định của mình. Trong một loạt thí nghiệm, ông sử dụng nguyên tử Can-xi để tạo nên các cặp photon bị rối lượng tử, sau đó ông cho hàng ngàn cặp photon truyền theo hai hướng khác nhau. Trên mỗi hướng ông sử dụng một thiết bị lọc (filter) để phân tích trạng thái phân cực của mỗi photon (Hình 4). Và ông đã thu được kết quả chứng tỏ rằng bất đẳng thức Bell bị vi phạm, nghĩa là rối lượng tử thực sự tồn tại, dù rằng trong thâm tâm ban đầu ông nghĩ rằng Einstein đã đúng còn cơ học lượng tử đã sai [7].

Hình 4. Mô hình thí nghiệm của J. Clauser về thí nghiệm với cặp photon bị rối lượng tử [3].  

Clauser giành nhiều thời gian phân tích xem liệu có những lỗ hổng hay sai sót (loophole) nào có thể đã bị bỏ qua trong thí nghiệm của ông. Một trong những khả năng có thể dẫn đến lỗ hổng nằm ở chỗ các dụng cụ trong phòng thí nghiệm có thể bằng cách nào đó làm lộ lọt thông tin cho nhau, dẫn đến kết quả đo trạng thái phân cực của mỗi photon cách xa trong từng cặp luôn tương quan với nhau. Lỗ hổng này đến năm 1992 đã được Alain Aspect giải quyể [8] bằng cách liên tục cho đổi hướng phân cực của các photon sau khi chúng đã được tạo ra và rời khỏi nguồn sáng bằng cách cho chúng truyền qua hai bộ lọc ở hai phía đối diện được đặt cách nhau 6 m và đổi hướng (switch) cứ sau mỗi 10 ns (10 phần tỷ giây). Khoảng thời gian trên ít hơn hai lần so với khoảng thời gian cần thiết để tốc độ nhanh nhất của thông tin (tức tốc độ ánh sáng) có thể được truyền giữa hai bộ lọc. Nói cách khác, với thí nghiệm này, thông tin từ các bộ lọc từ hai phía trên đường đi của cặp photon không thể kịp truyền cho nhau trong quá trình cặp photon này truyền đi, và Aspect đã loai bỏ được một lỗ hổng quan trọng trong thí nghiệm của Clauser. Kết quả thí nghiệm này một lần nữa chứng tỏ cơ học lượng tử đã đúng, rối lượng tử thực sự tồn tại và lý thuyết biến ẩn đã sai.

Hình 5. Mô hình thí nghiệm của A. Aspect về thí nghiệm với cặp photon bị rối lượng tử [3].  

Tuy nhiên vẫn còn một số lỗ hổng khác trong thí nghiệm của Aspect. Ví dụ như hướng phân cực của các bộ lọc trong thí nghiệm của Aspect thay đổi một cách có quy luật và do đó, về mặt lý thuyết, các photon cũng như các bộ lọc trong thí nghiệm vẫn có thể “cảm nhận” được.

Hình 6. Mô hình thí nghiệm của A. Zeilinger về thí nghiệm với cặp photon bị rối lượng tử [3].

Anton Zeilinger đã khép lại lỗ hổng này bằng một sơ đồ thí nghiệm trong đó cặp photon bị rối lượng tử được tạo ra bằng cách chiếu tia laser lên một tinh thể, sau đó dùng các bộ số ngẫu nhiên để điều khiển quá trình đổi hướng của các bộ lọc [9]. Thậm chí, trong một thí nghiệm khác, Zeilinger cùng cộng sự đã sử dụng tín hiệu từ những thiên hà xa xôi khác để điều khiển các bộ lọc và đảm bảo chắc chắn rằng các photon không thể nào tương tác với nhau được (Hình 6). Một lần nữa kết quả thí nghiệm của Zeilinger đã cho thấy cơ học lượng tử đã đúng, rối lượng tử thực sự tồn tại. Lưu ý rằng trong các thí nghiệm trên về rối lượng tử, sự tương quan của hai hạt chỉ được bộc lộ sau khi phép đo mỗi hạt được thực hiện và khi người đo so sánh kết quả với nhau. Như vậy, rối lượng tử không thể được sử dụng để truyền thông tin nhanh hơn vận tốc ánh sáng, và thuyết tương đối vẫn không hề bị vi phạm.

Kỷ nguyên của công nghệ lượng tử

Rối lượng tử và khả năng điều khiển các trạng thái lượng tử của các vi hạt giúp chúng ta tạo nên những công nghệ hoàn toàn mới. Ngày nay, các cặp photon bị rối lượng tử có thể được truyền qua hàng chục kilômét dọc các sợi cáp quang, hoặc giữa vệ tinh với các trạm trên mặt đất; những khóa (key) trong lĩnh vực mật mã đã có thể được gửi đi một cách đặc biệt bảo mật. Rối lượng tử là cơ sở của những công nghệ mới như tính toán lượng tử, mật mã lượng tử, viễn tải lượng tử, mạng internet lượng tử mà các trung tâm nghiên cứu lớn trên thế giới đang tích cực nghiên cứu. Các công ty công nghệ lớn trên thế giới như Google, IBM, Microsoft … đang dẫn dắt cuộc đua trong công nghệ máy tính và tính toán lượng tử. Những công nghệ trên có tiềm năng vượt trội so với công nghệ hiện tại và đem lại cho nhân loại những ứng dụng hoàn toàn mới trong rất nhiều lĩnh vực như máy tính lượng tử siêu việt, quản lý khủng hoảng nhờ được dự báo tốt hơn, chăm sóc sức khỏe (phát triển các loại thuốc, vaccine hiệu quả hơn), bảo mật thông tin tuyệt đối, …

Dù tiềm năng ứng dụng của những nghiên cứu này có lớn đến thế nào, chúng ta cũng đừng quên rằng tất cả những công nghệ tương lai trên đều bắt đầu với những nghiên cứu cơ bản mà đôi khi (như trong trường hợp của Clauser) không được người đương thời thừa nhận, thậm chí còn bị dè bỉu [6]. Với các nhà nghiên cứu, có lẽ chúng ta cũng nên lưu ý tới lời khuyên của chính Zeilinger: hãy nghiên cứu bất kỳ thứ gì mà bạn cảm thấy thú vị, và đừng quá quan tâm tới ứng dụng của chúng [7]. 

PGS. TS Trần Xuân Trường, Học viện Kỹ thuật Quân sự

Biên tập: Nguyễn Phương Văn

Tài liệu tham khảo

1. Einstein A, Podolsky B, Rosen N, “Can quantum-mechanical description of physical reality be considered complete?”, Phys. Rev. 47, 777–780 (1935).

2. Schrödinger E, “Discussion of probability relations between separated systems”, Mathematical Proceedings of the Cambridge Philosophical Society. 31, 555–563 (1935).

3.  https://www.nobelprize.org/uploads/2022/10/popular-physicsprize2022.pdf

4. Bell J. S., “On the Einstein Podolsky Rosen paradox”, Physics 1,195–200 (1964). 

5. Freedman S. J., Clauser J. F., “Experimental test of local hidden-variable theories”, Physical Review Letters. 28, 938–941 (1972).

6. https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2022/clauser/interview/

7. https://www.nytimes.com/2022/10/04/science/nobel-prize-physics-winner.html

8. Aspect A., Grangier P., and Roger G., “Experimental realization of Einstein-Podolsky-Rosen-Bohm Gedankenexperiment: A new violation of Bell’s inequalities”, Physical Review Letters. 49, 91–94 (1982). 9. Pan J. W., Bouwmeester D., Weinfurter H., and Zeilinger A., “Experimental Entanglement Swapping: Entangling Photons That Never Interacted”, Physical Review Letters. 80, 3891–3891 (1998).

Nguồn: vinif.org