Tài liệu tham khảo: Thời kì phục hưng lượng tử

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:15

Thêm vào BST

Báo xấu

50
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tài liệu tham khảo chuyên đề vật lý học giải thích các hiện tượng tự nhiên và giúp các bạn mở rộng kiến thức vật lý học của bản thân

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tài liệu tham khảo: Thời kì phục hưng lượng tử

Th i kì ph c hưng lư ng t Các nhà v t lí ngày nay thư ng xuyên có th khai thác nh ng tính ch t khác thư ng c a cơ h c lư ng t truy n t i, mã hóa và c x lí thông tin. hưng như Markus Aspelmeyer và Anton Zeilinger mô t , nh ng ti n b công ngh c a khoa h c thông tin lư ng t ngày nay ang cho phép các nhà nghiên c u chú tâm tr l i vào nh ng nan cơ b n phát sinh b i thuy t lư ng t. Trí tò mò thu n túy ã t ng là ng l c sau nhi u thí nghi m t phá trong v t lí h c. i u này không gì minh h a t t hơn b ng trong cơ h c lư ng t , tho t u là n n v t lí c a nh ng v t c c nh . K t khi khai sinh ra nó vào th p niên 1920 và 1930, các nhà nghiên c u ã mu n quan sát nh ng tính ch t ph n tr c giác c a cơ h c lư ng t m t cách tr c ti p trong phòng thí nghi m. Tuy nhiên, vì kĩ thu t th c nghi m không ư c phát tri n vào lúc ó, nên nh ng ngư i như Niels Bohr, Albert Einstein, Werner Heisenberg và Erwin Schrödinger thay vì th ã d a trên nh ng thí nghi m tư ng tư ng nghiên c u n n v t lí lư ng t c a t ng h t m t, ch y u là electron và photon. Vào th p niên 1970, công ngh ã b t k p, t o ra m t “cơn s t vàng” nh ng thí nghi m cơ b n ti p t c cho n th p niên 1990. Nh ng thí nghi m này xác nh n thuy t lư ng t v i s thành công áng chú ý, và thách th c nhi u gi thuy t ư c nhi u ngư i ch p nh n v th gi i v t ch t. Trong s nh ng gi thuy t này là “thuy t duy th c” ( i khái nó phát bi u r ng k t qu c a các phép o hé l các c i m c a th gi i thì t n t i c l p v i phép o), “thuy t c c b ” (r ng k t qu c a các phép o ây và lúc này không ph thu c vào m t s ho t ng có th ti n hành m t nơi r t xa úng vào lúc này), “thuy t phi ng c nh” (kh ng nh r ng k t qu c a các phép o thì c l p v i ng c nh c a thi t b o). 73 Tuy n Physics World 2008 | © hiepkhachquay
Nhưng m t b t ng l n ã ch ón nh ng ai ang nghiên c u trong lĩnh v c này. Các thí nghi m lư ng t cơ b n làm phát sinh m t lĩnh v c hoàn toàn m i nh ó các nhà nghiên c u áp d ng các hi n tư ng như ch ng ch t, s r i và tính ng u nhiên mã hóa, truy n t i và x lí thông tin trong khuôn kh m i l tri t . “Khoa h c thông tin lư ng t ” ngày nay là m t lĩnh v c chuyên môn ang bùng n mang l i nh ng ng d ng nghe có v v lai như máy tính lư ng t , m t mã lư ng t và truy n thông lư ng t vào trong t m v i. Hơn n a, nh ng ti n b công ngh làm cơ s cho nó ã mang l i cho các nhà nghiên c u s i u khi n chưa t ng có ti n l trên t ng h lư ng t m t. Quy n i u khi n ó hi n ang khu y ng m t s ph c hưng trong trí tò mò c a chúng ta v th gi i lư ng t , b i nó cho phép các nhà v t lí lưu tâm n nh ng khía c nh cơ b n m i c a cơ h c lư ng t . Hóa ra, i u này có th m ra m t xa l m i trong n n khoa h c thông tin lư ng t . Ph n tr c giác C nh ng thí nghi m cơ lư ng t cơ b n và khoa h c thông tin lư ng t u n nhi u vào s ra i c a laser vào th p niên 1960, nó ã mang l i nh ng phương pháp m i và hi u qu cao chuN b t ng h lư ng t nh m ki m tra các tiên oán c a thuy t lư ng t . Th t v y, s phát n tri n ban u c a các thí nghi m v t lí lư ng t cơ b n ã i song hành v i m t s nghiên c u th c nghi m u tiên v quang h c lư ng t . M t trong nh ng bư c nh y th c nghi m ch y u vào lúc ó là kh năng t o ra các c p photon “r i”. Vào năm 1935, Schrödinger ã t ra thu t ng “s r i” ch các c p h t ư c mô t duy nh t b i tính ch t chung c a chúng thay cho tính ch t riêng r c a chúng – nó i ngư c l i v i kinh nghi m c a chúng ta v th gi i vĩ mô. Trư c ó không lâu, Einstein, Boris Podolsky và Nathan Rosen (g i tên chung là EPR) ã s d ng m t thí nghi m tư ng tư ng bi n h r ng n u s r i t n t i, thì mô t cơ lư ng t ó c a th c th v t lí ph i không hoàn ch nh. Einstein không thích quan ni m r ng tr ng thái lư ng t c a m t h t b r i có th thay i t c th i khi m t phép o ư c ti n hành trên h t kia. G i nó là tác d ng “ma qu ” t xa, ông hi v ng v m t lí thuy t v t lí hoàn ch nh hơn c a cái r t nh không bi u hi n nh ng c i m kì l như th . i u này n m t i tâm i m c a m t cu tranh lu n n i ti ng gi a Einstein và Bohr xem n n v t lí mô t t nhi n “là nó th c s như th ”, như quan i m c a Einstein, hay nó mô t “cái chúng ta có th nói v t nhiên”, như Bohr tin tư ng. Mãi cho n th p niên 1960 thì nh ng câu h i này thu n túy mang tính tri t h c trong t nhiên. Nhưng vào năm 1964, nhà v t lí B c Ireland, John Bell, nh n ra r ng các thí nghi m v nh ng h t r i có th cung c p m t phép ki m tra xem có m t mô t nào hoàn ch nh hơn v th gi i ngoài thuy t lư ng t ra hay không. EPR tin r ng m t lí thuy t như th là t n t i. 74 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay
Bell d a trên lu n ch ng c a ông v hai gi thuy t do EPR ưa ra trái ngư c h n b i tính ch t c a các h t r i. Th nh t là thuy t c c b , phát bi u r ng k t qu c a nh ng phép o ti n hành trên m t h t ph i c l p v i m i th ng th i th c hi n v i i tác r i c a nó n m kho ng cách xa tùy ý. Th hai là thuy t duy th c, phát bi u r ng k t qu c a m t phép o trên m t trong các h t ph n ánh các tính ch t c a h t mang trư c ó và c l p v i phép o. Bell ch ra r ng m t k t h p c bi t c a các phép o ti n hành trên nh ng c p h t ư c chuN bn ng nh t s t o ra m t gi i h n s (ngày nay g i là b t ng th c Bell) th a mãn m i lí thuy t v t lí tuân theo hai gi thuy t này. Tuy nhiên, ông cũng ch ra r ng gi i h n này b vi ph m b i các tiên oán c a v t lí lư ng t cho các c p h t b r i (Physics 1 195). Thí nghi m trên các c p r i hay b ba photon có th dùng ki m tra quan ni m v hi n th c v t ch t. Trong các thí nghi m ki u Bell ban u, c hai photon c a m t c p r i có s phân c c th ng gi ng nhau i v i các b phân c c song song. Nhưng v i các b phân c c hư ng ch ch m t góc nh so v i nhau, như trong hình, thì k t qu tương t thu ư c thư ng xuyên hơn v i c hai photon so v i ư c phép n u s phân c c là m t tính ch t c c b th t s c a các photon. Ví d , xét s phân c c c a các photon. M t photon c thân có th b phân c c theo m t hư ng c bi t, nói ví d là theo phương ngang, và chúng ta có th o s phân c c này b ng cách cho photon i qua m t kính phân c c nh hư ng ngang. M t ti ng tách trên máy dò photon t phía sau nó xác nh n phép o là thành công và cho th y photon ó b phân c c ngang; còn không có ti ng tách có nghĩa là photon b phân c c theo phương th ng ng. Tuy nhiên, trong trư ng h p m t c p photon b r i, t ng photon riêng r hóa ra không mang b t kì s phân c c c bi t nào trư c khi chúng ư c o! Vi c o s phân c c ngang c a m t trong các photon s luôn luôn cho k t qu ng u nhiên, do ó khi n nó có kh năng tương ương nhau tìm th y m t photon phân c c ngang hay phân c c d c. Cho n nay, vi c ti n hành cùng phép o trên photon kia c a c p b r i (gi s m t lo i tr ng thái r i nh t nh nào ó) s cho th y c hai photon b phân c c theo 75 Tuy n Physics World 2008 | © hiepkhachquay
hư ng gi ng nhau. i u này úng cho m i hư ng o và c l p v i kho ng cách không gian c a các h t. Bt ng th c Bell ã m ra kh năng ki m tra nh ng gi thuy t n n t ng nh t nh c a các lí thuy t v t lí – và n l c nghiêm túc ư c Abner Shimony thu c i h c Boston gán cho là “siêu hình h c th c nghi m”. Trong các thí nghi m Bell như th , hai nhà quan sát xa o s phân c c c a các h t r i theo nh ng hư ng khác nhau và tính ra s tương liên gi a chúng. Vì tương quan lư ng t gi a các phép o phân c c c l p trên các h t r i có th m nh hơn nhi u so v i ư c phép b i b t c lí thuy t hi n th c c c b nào, nên b t ng th c Bell s b vi ph m. Các l thòng l ng lư ng t Phép ki m tra u tiên như th ã ư c ti n hành, s d ng các photon r i vào năm 1972, b i Stuart Freedman và John Clauser thu c i h c California Berkeley; b t ng th c Bell b vi ph m và các tiên oán c a thuy t lư ng t ư c xác nh n (Phys. Rev. Lett. 28 938). Nhưng t s m ã t n t i m t s l thòng l ng khi n các nhà nghiên c u không th nào lo i tr m i mô hình “hi n th c c c b ” có th có như nh ng l i gi i thích cho các tương quan quan sát th y. Ví d , có th là các h t ư c phát hi n không ph i là v t m u h p lí c a m i h t do ngu n phát ra (cái g i là lô thòng l ng dò tìm) ho c các b ph n khác nhau c a thí nghi m có th v n n i k t nhau theo ki u nhân qu (l thòng l ng c c b ). khép kín nh ng l thòng l ng này, nh ng i u ki n th c nghi m nghiêm t hơn ph i ư c th a mãn. Năm 1982, Alain Aspect và các òng s t i Université Paris-Sud Orsay, Pháp, ã ti n hành m t lo t thí nghi m tiên phong r t g n v i xu t ban u c a Bell. i nghiên c u ã b trí hai cơ c u dò tim hai kênh tránh ưa ra các gi nh v photon không i qua b n phân c c (Phys. Rev. Lett. 49 91), và các nhà nghiên c u còn thay i tu n hoàn – và do ó mang tính ti n nh s nh hư ng c a các b n phân c c sau khi các photon ư c phát ra kh i ngu n (Phys. Rev. Lett. 49 1804). C dư i nh ng i u ki n ch t ch hơn này, b t ng th c Bell v n b vi ph m trong c hai trư ng h p, vì th làm gi m áng k cơ h i gi i thích mang tính hi n th c c c b v s r i lư ng t . Năm 1998, m t trong hai tác gi hi n nay (AZ) và các ng s , khi ó trư ng ih c Innsbruck, ã khép kín l thòng l ng c c b b ng cách s d ng hai máy phát s ng u nhiên lư ng t c l p hoàn toàn thi t t hư ng c a các phép o photon. i u này có nghĩa là hư ng mà s phân c c c a t ng photon ư c o ư c quy t nh th i kh c cu i cùng, sao cho không có tín hi u nào (yêu c u ph i truy n ch m hơn t c ánh sáng) có th truy n thông tin n phía bên kia trư c khi photon ó ư c ghi nh n (Phys. Rev. Lett. 81 5039). B t ng th c Bell b vi ph m. 76 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay
Sau ó, vào năm 2004, David Wineland và các c ng s t i Vi n Tiêu chuN và Công ngh n qu c gia (NIST) Colorado, Mĩ, b t u khép kín l thòng l ng dò tìm b ng cách s d ng các máy dò v i hi u su t hoàn h o trong m t thí nghi m liên quan t i các ion beryllium r i ( ature 409 791). M t l n n a, b t ng th c Bell b vi ph m. Th t v y, m i k t qu tính n khi ó u cho th y không có lí thuy t hi n th c c c b nào có th gi i thích s r i lư ng t . Trong cái g i tên là thí nghi m GHZ, ví d , s phân c c tròn c a hai photon thu c tr ng thái r i ba photon cho phép cơ h c lư ng t tiên oán v i ch c ch n s phân c c th ng c a photon th ba (trên cùng), trong trư ng h p này nó phân c c ngang. Thuy t hi n th c c c b s tiên oán s phân c c th ng tr c giao – trong trư ng h p này là th ng ng. 77 Tuy n Physics World 2008 | © hiepkhachquay
Nhưng phép ki m tra cu i cùng c a nh lí Bell v n thi u sót: m t thí nghi m ơn l kép kín m i l thòng l ng m t lúc. R t không có kh năng là m t thí nghi m như th s mâu thu n v i tiên oán c a cơ h c lư ng t , vì i u này ng ý r ng t nhiên s d ng c l thòng l ng dò tìm trong thí nghi m Innsbruck l n l thòng l ng c c b trong thí nghi m NIST. Tuy nhiên, t nhiên có th là có thi u sót, và m t thí nghi m như v y là áng th c hi n n u chúng ta cu i cùng khép quy n sách l i thuy t duy th c c c b . Năm 1987, Daniel Greenberger thu c New York City College, Michael Horne thu c Stonehill College và AZ (nhóm GHZ) nh n ra s r i c a ba hay nhi u h t hơn s mang l i m t ràng bu c còn m nh m hơn lêm thuy t duy th c c c b so v i s r i hai h t (Am. J. Phys. 58 1131). Trong khi hai h t b r i không ăn kh p v i thuy t duy th c c c b ch các tính ch t th ng kê c a chúng, ó là i u c t lõi c a nh lí Bell, thì ba h t r i có th t o ra s mâu thu n tr c ti p m t k t qu o ơn l vì các phép o trên hai trong s các h t cho phép chúng ta tiên oán ch c ch n tính ch t c a h t th ba. Nh ng thí nghi m u tiên v ba photon r i ư c ti n hành vào cu i năm 1999 b i AZ và các c ng s , và h làm sáng t m t i u n i v t phù h p v i thuy t lư ng t ( ature 403 515). Trong ch ng m c nào ó, m i phép ki m tra v b t ng th c Bell và v ba h t r i (g i là thí nghi m GHZ) xác nh n các tiên oán c a thuy t lư ng t , và do ó mâu thu n v i gi thuy t chung c a thuy t duy th c và thuy t c c b là gi thuy t cơ s ang phát huy tác d ng cho m i lí thuy t v t lí mu n gi i thích các i m c a nh ng h t b r i. Khoa h c thông tin lư ng t Nhi u thí nghi m tuy t v i ã ư c th c hi n vào nh ng ngày u c a quang h c lư ng t thúc N s h ng thú tr l i v i nh ng khái ni m cơ b n c a v t lí lư ng t . B ng ch ng cho i u y này có th th y, ví duk, s lư ng trích d n mà bài báo EPR nh n ư c, nó tranh lu n r ng s r i làm cho mô t cơ lư ng t c a th c t i v t lí là không hoàn ch nh. Bài báo ó ư c trích d n ch kho ng 40 l n t khi nó xu t b n năm 1935 n năm 1965, ngay sau khi Bell phát tri n b t ng th c c a ông. Cho n nay, nó có hơn 4000 trích d n, v i trung bình 200 l n trích d n m i năm k t năm 2002. M t ph n lí do cho s gia tăng này là các nhà nghiên c u t nhi u lĩnh v c khác b t u nh n ra nh ng h qu ngo n m c c a vi c s d ng s r i và các khái ni m lư ng t khác mã hóa, truy n t i và x lí thông tin. S d ng m t mã lư ng t , áp d ng tính ng u nhiên, s ch ng ch t và, trong m t cơ c u do Artur Ekert thu c i h c Oxford Anh xu t, s r i hai h t truy n thông tin ch ng tr m m t cách an toàn ư c mb ob i nh lu t v t lí. ng d ng này c a khoa h c thông tin lư ng 78 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay
t ã ra kh i môi trư ng phòng thí nghi m. Vào năm 2004, ch ng h n, AZ và các c ng s t i i h c Vienna ã chuy n ti n an toàn gi a m t ngân hàng Áo và Vienna City Hall b ng các c p photon r i do laser phát ra trong m t quá trình quang phi tuy n và ư c phân ph i thông qua s i quang. G n ây hơn, hai chương trình h p tác qu c t ã có th phân ph i các photon r i trên kho ng cách 144 km gi a La Palma và Tenerife, bao g m m t minh ch ng c a m t mã lư ng t , và h i u năm nay còn cho th y nh ng ư ng truy n như th có th ư c thi t l p trong không gian b ng cách cho ph n x các xung laser ã làm y u t i m c photon c thân ra kh i v tinh tr l i tr m thu m t t. Các s n phN m t mã lư ng t thương m i d a trên các xung laser ã làm m y u ã có m t trên th trư ng, và thách th c hi n nay là thu ư c t c bit cao hơn và truy n nh ng kho ng cách xa hơn. M t mã lư ng t , cho phép thông tin ư c g i i hoàn toàn an toàn gi a hai nơi, ho t ng d a trên s r i. Các c p photon b b y phân c c ư c phân ph i gi Alice và Bob, h mu n chia s m t tin nh n bí m t (trong trư ng h p này là nh c a hình n m th n V n n i ti ng x Willendorf). o s phân c c c a t ng photon b b y riêng r s cho m t k t qu hoàn toàn ng u nhiên. Tuy nhiên, n u Alice và Bob ti n hành phép o theo hư ng phân c c gi ng nhau, thì k t qu c a h luôn luôn gi ng nhau trong t ng c p b b y. B ng cách o nhi u c p, Alice và Bob thu ư c chu i s ng u nhiên gi ng nhau, khi ó h s d ng nó làm khóa b o m t. Alice tr n khóa c a cô (góc trên bên trái) v i hình g c (phía dư i bên trái). Hình nh mã hóa ( gi a phía dư i) là an toàn v i k nghe tr m vì tính ng u nhiên c a khóa. Tuy nhiên, Bob có th d dàng gi i mã tin nh n b ng khóa c a anh ta (góc dư i bên ph i). K nghe tr m ti m tàng có th b phát hi n vì vi c can thi p v i các photon c a c p b b y làm phá h ng s r i. ây là h qu c a nguyên lí b t nh, và do ó tính an toàn c a m t mã lư ng t ư c m b o. Thí nghi m ban u ch ng minh hi u ng này ư c ti n hành b i m t i t i i h c Innsbruck vào năm 1998 trên kho ng cách hơn 300 m (Phys. Rev. Lett. 84 4729). 79 Tuy n Physics World 2008 | © hiepkhachquay
Theo ki u tương t , con ư ng d n t i các thí nghi m GHZ ã m ra lĩnh v c r ng l n c a s r i nhi u h t, nó có ng d ng, trong s nh ng th khác, trong o lư ng lư ng t . Ví d , sai s l n hơn s lư ng photon r i trong giao thoa k d n t i sai s nh hơn trong pha c a chúng, nh ó mang l i phép o chính xác hơn so v i m t thí nghi m tương t s d ng cùng s lư ng photon không b r i. Máy tính lư ng t , b ng cách x lí thông tin thông qua tr ng thái c a các h lư ng t như nguyên t và photon, h a h n s làm t t hơn máy tính c i n trong nh ng nhi m v nh t nh. M t phương pháp ch t o m t m u th c ti n c a m t d ng c như th là cái g i là máy tính lư ng t m t chi u. ư c xu t vào năm 2001, nó ho t ng trên s r i. Trong s hi n th c hóa lư ng t , năng lư ng phát ra t m t laser bơm i qua tinh th beta barium borate (BBO) phi tuy n hai l n làm phát ra hai c p photon r i, nghĩa là b n mode không gian ch a b n photon c th y. S ch ng ch t k t h p hai b tách chùm phân c c m b o b n photon ư c phát hi n cu i cùng trong “tr ng thái ám”, bi t nơi t thích h p c a các b n n a sóng và b n phân c c. K t năm 2005, các thí nghi m ch ng-minh-khái-ni m ( trên) v i cơ c u máy tính lư ng t cơ b n này ã cho phép th c hành i n toán thu t toán tìm ki m Grover, m t song c a tù nhân lư ng t và ch ng minh không gian con tách k t h p t do (như yêu c u i v i i n toán lư ng t th -sai) ã ư c th c hi n. S r i nhi u h t còn thi t y u cho tính toán lư ng t . Tính toán lư ng t khai thác các hi n tư ng lư ng t cơ b n cho phép các phép tính ư c th c hi n v i t c chưa t ng th y – có 80 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay
l còn gi i ư c nh ng bài toán quá ph c t p i v i máy tính thông thư ng, ví d như phân tích th a s thành nh ng s nguyên t l n ho c cho phép tìm ki m cơ s d li u th t nhanh. Ý tư ng ch ch t ng sau phép tính toán lư ng t là mã hóa và x lí thông tin trong các h v t lí tuân theo các quy lu t c a cơ h c lư ng t . Nhi u nghiên c u hi n nay, do ó, dành cho tìm ki m các bit lư ng t , hay “qubit” xác th c có th liên k t v i nhau hình thành các thanh ghi và c ng lôgic tương t như trong máy tính thông thư ng, chúng s cho phép các thu t toán lư ng t tr n v n ư c th c hi n. Tuy nhiên, vào năm 2001, Robert Raussendorf và Hans Briegel, khi ó làm vi c t i i h c Munich c, ã xu t m t l trình khác cho i n toán lư ng t d a trên “tr ng thái ám” nhi u h t b r i cao (Phys. Rev. Lett. 86 5188). Trong cơ c u này, g i là i n toán lư ng t “m t chi u”, m t phép tính i n toán ư c th c hi n b ng cách o t ng h t c a tr ng thái ám r i trong m t chu i c bi t xác nh b i phép tính nh t nh ư c ti n hành. T ng h t ư c o không còn b r i v i nh ng h t khác và do ó không s n sàng cho phép i n toán khác n a. Nhưng nh ng h t ó v n trong tr ng thái ám sau khi t ng phép o theo u i m t tr ng thái c bi t tùy thu c vào phép o nào ư c ti n hành. Vì k t qu o c a b t kì h t b r i riêng r nào cũng hoàn toàn ng u nhiên, nên các tr ng thái khác nhau thu ư c cho các h t còn l i sau t ng phép o. Nhưng ch trong m t trư ng h p c bi t tr ng thái còn l i là tr ng thái thích h p. Ý tư ng then ch t c a Raussendorf và Briegel là lo i tr s ng u nhiên ó b ng cách t o ra chu i phép o c bi t tùy thu c vào k t qu trư c ó. Toàn b cơ c u, vì th , miêu t m t máy tính lư ng t quy t nh lu n, trong ó các h t còn l i vào cu i t t c phép o mang l i k t qu c a phép i n toán. Năm 2005, các tác gi hi n nay và ng nghi p Vienna ã ch ng minh nguyên lí i n toán lư ng t m t chi u và c m t thu t toán tìm ki m ơn gi n s d ng tr ng thái r i b n photon ( ature 434 169). Sau ó, vào năm 2007, Jian-Wei Pan thu c i h c Khoa h c và Công ng Trung Hoa Hefei và các c ng s ã th c hi n m t cơ c u tương t g m sáu photon. M t thu n l i d nh n th y c a máy tính lư ng t m t chi u là t c chưa t ng có c a nó, v i th i gian t phép o c a m t photon t i phép o ti p theo, t c là m t chu kì i n toán, m t không hơn 10 ns. Vn phát sinh Công ngh phát tri n trong 20 năm qua làm cho vi c x lí và truy n thông tin lư ng t tr thành hi n th c mang l i cho các nhà nghiên c u quy n i u khi n chưa t ng có ti n l trên t ng h lư ng t riêng l . Ví d , ngày nay rõ ràng là i n toán lư ng t photon tính hoàn toàn là có th nhưng nó yêu c u các ngu n phát photon b r i và photon c thân thu n khi t cao, c ng v i kh năng i u khi n xác th c tr ng thái lư ng t c a các photon hay nh ng h lư ng t khác trong 81 Tuy n Physics World 2008 | © hiepkhachquay
ph n nh c a nano giây. Nh ng công c c n thi t cho s phát tri n này và nh ng phát tri n khác ã và ang ư c c i thi n liên t c, t nó ã m ra nh ng cách th c hoàn toàn m i khám phá nh ng câu h i sâu s c phát sinh b i thuy t lư ng t . M t câu h i như th m t l n n a là nói v quan ni m v tính c c b và tính duy th c. Toàn b nhóm thí nghi m Bell và GHZ ti n hành trong các năm cho th y ít nh t là m t trong hai gi thuy t này là không tương thích mô t th gi i v t ch t (ít nh t là ch ng nào mà các tr ng thái r i còn có tham gia). Nhưng nh lí Bell không cho phép chúng ta nói gi thuy t nào trong hai gi thuy t ph i v t b . Trong m t thí nghi m ki u Legget, các tương quan gi a s phân c c th ng i v i m t photon và phân c c elip c a photon kia có th ch ra là ã vi ph m th gi i quan duy th c, cho dù là s truy n thông phi c c b t c th i ư c phép. Như bi u di n trong hình, s phân c c tròn và elip c a các photon c thân có th o b ng nh ng k t h p thích h p c a b n m t ph n tư sóng và b n phân c c th ng. Năm 2003, Anthony Leggett thu c i h c Illinois t i Urbana-Champaign Mĩ ã cung c p m t câu tr l i b ph n b ng cách ưa ra m t nh lí xung kh c m i mang r t nhi u tinh th n c a thuy t Bell, nhưng v i m t t p h p gi thuy t khác. (Found. Phys. 33 1469). Ý tư ng c a ông là v t b gi thuy t c c b và nêu câu h i không bi t, trong m t tình hu ng như th , m t quan ni m h p lí v thuy t duy th c – c th là quy m t s phân c c n nh là tính ch t “th t” c a t ng h t trong m t c p b r i – có làm h i sinh tr n v n thuy t lư ng t . Qua tr c giác, ngư i ta có th trông i r ng nh ng tác d ng phi c c b ã ch n úng có th t o ra các tương quan tùy ý. Sau h t th y, n u b n cho phép k t qu phép o c a mình ph thu c vào m i th ang ti n tri n trong toàn b vũ tr (k c t i v trí c a thi t b o th hai), thì t i sao b n ph i ch ơi m t s ràng bu c lên nh ng tương quan ó ? 82 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay
Trong trư ng h p c bi t c a m t c p photon phân c c b r i, l p lí thuy t duy th c phi c c b Leggett b t u ki m tra nh ng gi thuy t sau ây: t ng h t c a m t c p phát ra t ngu n v i m t s phân c c rõ ràng; và các nh hư ng phi c c b có m t sao cho t ng k t qu o riêng l có th ph thu c vào b t kì thông s nào m t kho ng cách tùy ý tính t phép o. Các tiên oán c a nh ng lí thuy t như th vi ph m các b t ng th c Bell ban u do các tác d ng phi c c b ư c phép, nên th t là t nhiên n u nêu câu h i không bi t chúng có kh năng làm h i sinh toàn b nh ng tiên oán c a thuy t lư ng t hay không. Leggett ch ra r ng ây không ph i trư ng h p ó. Tương t như Bell, ông ngĩ ra m t h b t ng th c cho nh ng phép o nh t nh trên hai h t b r i th a mãn b i m i lí thuy t d a trên nh ng gi thuy t duy th c phi c c b này nhưng chúng b vi ph m b i các tiên oán thuy t lư ng t . Vi c ki m tra h b t ng th c Leggett thì mang tính thách th c hơn so v i ki m tra h b t ng th c Bell vì chúng yêu c u các phép o phân c c th ng l n phân c c elip và s r i ch t lư ng cao hơn nhi u. Nhưng vào năm 2007, nh s ti n b vư t b c ư c th c hi n v i các ngu n photon b b y, các tác gi hi n nay và ng s Vienna ã có th ki m tra m t b t ng th c Leggett v m t th c nghi m b ng cách o các tương quan gi a s phân c c th ng và phân c c elip c a các photon r i ( ature 446 871). Thí nghi m xác nh n các tiên oán c a thuy t lư ng t và do ó lo i tr m t l p r ng các lí thuy t duy th c phi c c b là m t cơ s khái ni m cho các hi n tư ng lư ng t . Gi ng v i s ti n tri n c a các thí nghi m Bell, các thí nghi m Leggett nghiêm ng t hơn nhanh chóng ư c theo u i. Ví d , các thí nghi m c l p ti n hành vào năm 2007 b i i Vienna (Phys. Rev. Lett. 99 210406) và b i các nhà nghiên c u t i i h c Geneva và i h c qu c gia Singapore (Phys. Rev. Lett. 99 210407) xác nh n m t s vi ph m c a b t ng th c Leggett dư i nh ng gi thuy t c i m hơn, t ó m r ng l p mô hình duy th c phi c c b b c m. Hai th là rõ ràng t nh ng thí nghi m này. Th nh t, nó không v t b hoàn toàn quan ni m v tính c c b . Th hai, ngư i ta ph i t b ít nh t là quan ni m duy th c ch t phác r ng các h t có nh ng tính ch t nh t nh (trong trư ng h p c a chúng ta là s phân c c) thì c l p v i m i quan sát. h ng gi i h n vĩ mô nh hư ng qua l i g n gũi gi a khoa h c thông tin lư ng t và tính hi u kì cơ b n còn ư c ch ng minh b i m t s thí nghi m h p d n bao hàm các h t n ng hơn. Theo thuy t lư ng t , không có gi i h n trên th c ch t nào lên kích thư c hay tính ph c t p c a h v t ch t trên ó các hi u ng lư ng t không còn x y ra. ây là tâm i m c a ngh ch lí con mèo n i ti ng c a Schrödinger, gi u c t tình hu ng o b ng cách xu t m t thí nghi m nh ó ngư i ta có th làm 83 Tuy n Physics World 2008 | © hiepkhachquay
cho m t con mèo vào s ch ng ch t c a s s ng và ch t. M t trư ng h p c bi t h p d n là s giao thoa “sóng v t ch t”. Electron, neutron và nguyên t ã ư c làm cho bi u hi n các hi u ng giao thoa khi i qua m t khe ôi, do ó ch ng t r ng các h n ng này không ch i qua khe này ho c khe kia. Hành tr ng tương t ã ư c quan sát th y g n ây hơn vào năm 1999 b i AZ và các ng s t i Vienna i v i các phân t fullerene tương i l n carbon-60 và carbon-70 ( ature 401 680), và các nghiên c u ang tri n khai ã ch ng minh s giao thoa i v i các h còn n ng hơn và l n hơn n a. M t trong nh ng m c tiêu ch y u c a nghiên c u này là nh n ra s giao thoa lư ng t i v i các virus nh hay có l còn v i c vi khuN nano. n B ng cách nghiên c u hành tr ng cơ lư ng t c a các i tư ng ngày càng l n hơn và n ng hơn, các nhà nghiên c u có ư c m t cơ h i t t hơn xây d ng máy tính lư ng t xác th c ho c phát tri n nh ng ng d ng khác c a khoa h c thông tin lư ng t . K l c th gi i hi n nay cho i tư ng n ng nh t bi u hi n s giao thoa lư ng t trong m t thí nghi m hai khe, t c là ch ng minh hành tr ng ki u sóng b t ch p c i m ki u h t c a chúng, là phân t fluorinate fullerene C60F48 v i kh i lư ng b ng 1632 ơn v kh i lư ng nguyên t (hình trên bên trái) (Phys. Rev. Lett. 91 090408). i tư ng l n nh t bi u hi n s giao thoa là phân t “azobenzene” (hình dư i) ( ature Physics 3 711), như ch ng minh b i i c a Markus Arndt t i i h c Vienna. D ng c c ng hư ng cơ (hình trên bên ph i) n nay v n chưa i vào a h t, nhưng i u này có th s m thay i v i nh ng i tư ng ó ư c làm l nh t i tr ng thái lư ng t cơ b n c a chúng. D ng c c ng hư ng c bi t này ch a m t cái gương ph n x cao t trên m t u mút k p dao ng, nó có th ư c kh i ng thông qua áp su t b c x k t h p v i m t h p quang tinh vi cao. 84 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay
R t g n ây, kh năng làm l nh các d ng c vi cơ n nh ng nhi t r t th p ã m ra 20 m t con ư ng m i ki m tra các h ch a lên t i 10 nguyên t . M t m c tiêu h p d n c a các thí nghi m kh o sát th gi i lư ng t c a các u mút cơ là ch ng minh s r i gi a m t h vi mô như m t photon và m t h cơ- hay c gi a hai h cơ. Trong khi ng cơ thúc N nghiên c u các h lư ng t vĩ mô là s hi u kì thu n túy, thì y nghiên c u ã ch m t i nh ng câu h i quan tr ng trong khoa h c thông tin lư ng t . ây là vì các h lư ng t càng l n hay ph c t p thì càng tương tác v i môi trư ng xung quanh chúng, i u ó quan tr ng i v i các phân t vĩ mô hay u mút khi nó làm các thanh ghi l n c a m t máy tính lư ng t . M t h qu c a tương tác này v i th gi i bên ngoài là “s tách k t h p”, qua ó h th c s tr nên b r i v i môi trư ng và vì th m t tr ng thái lư ng t riêng c a nó. K t qu là các phép o c a h ó không còn có th hé m b t kì d u hi u lư ng t nào. Vi c tìm cách tránh s tái k t h p do ó là ch nóng trong các thí nghi m lư ng t vĩ mô l n trong khoa h c thông tin lư ng t . V i các phân t fullerene ch ng h n, hi u ng tách k t h p ã ư c nghiên c u h t s c c n k vào năm 2004 b ng cách ghép ôi chúng v i môi trư ng bên ngoài theo nh ng cách khác nhau, có th i u ch nh ư c ( ature 427 711). T quan i m th c nghi m, chúng ta th y không có lí do gì trông i s tách k t h p không th vư t qua i v i các h vĩ mô hơn nhi u so v i có th th c hi n lúc này trong phòng thí nghi m. Tính hi u kì lư ng t V t lí lư ng t và khoa h c thông tin mà nó ã thúc N ra y i là hai m t c a m t ng ti n: là c m h ng cho nh ng phương pháp m i v m t khái ni m i v i nh ng ng d ng mt này; và là h p công c cho phép nh ng câu h i cơ b n m i m t bên kia. Thư ng x y ra là nh ng công ngh m i làm phát sinh nh ng nghi v n không ư c tr l i trư c ó, ơn gi n vì ngư i ta không th tư ng tư ng cái gì ã tr nên có th th c hi n trong phòng thí nghi m. M t trư ng h p như th là kh năng c a chúng ta ang tăng lên v i vi c i u khi n các h lư ng t ph c t p t n t i trong không gian Hilbert cao chi u – không gian toán h c trong ó các tr ng thái lư ng t ư c mô t . a s nh ng câu h i cơ s ã bi t trong thuy t lư ng t cho n nay ch áp d ng các h tương i ơn g in, còn các chi u không gian Hilbert cao hơn có th mang l i nh ng c i m nh lư ng m i cho cách hi u n n v t lí lư ng t . Chúng ta b thuy t ph c r ng nhi u b t ng ang ch chúng ta ó. 85 Tuy n Physics World 2008 | © hiepkhachquay
Chúng ta mong r ng nh ng phát tri n lí thuy t và th c nghi m trong tương lai s làm sáng t hơn n a các c i m ph n tr c giác c a thuy t lư ng t th t s không th thi u ư c trong mô t c a chúng ta v th gi i v t lí. Trong khi làm như v y, chúng ta trông i thu ư c cái nhìn sâu s c hơn v câu h i cơ b n n n t ng r ng th c t i là gì và làm th nào mô t nó. M i quan h g n gũi gi a tính hi u kì cơ b n c a th gi i lư ng t và ng d ng c a nó trong khoa h c thông tin có l còn ưa n nh ng ý tư ng cho v t lí h c vư t ngoài khuôn kh cơ h c lư ng t . Tóm t t Cơ h c lư ng t ã thách th c các quan ni m mang tính tr c giác v th c t i, ví d như tính ch t c a m t h t có t n t i hay không trư c khi m t phép o ư c ti n hành trên nó. S r i là m t trong nh ng khía c nh khó hi u nh t c a thuy t lư ng t ; nó ng ý r ng các k t qu o trên hai h t là quan h ch t ch v i nhau m t cách t c th i cho dù là chúng cách nhau bao xa chăng n a. K t th p niên 1970, các thí nghi m nhi u l n cho th y thuy t lư ng t là úng, nhưng các nhà nghiên c u v n ang nghĩ ra thêm các phép o tìm xem cơ h c lư ng t cho chúng ta bi t i u gì v th c t i v t lí. Nh ng phép ki m tra này ã làm phát sinh ra m t lĩnh v c m i g i là khoa h c thông tin lư ng t , trong ó s r i và nh ng hi n tư ng lư ng t khác ư c s d ng mã hóa, truy n t i và x lí thông tin theo nh ng phương pháp m i tri t . Mc i u khi n tăng d n trên t ng h lư ng t riêng r chi ph i n n khoa h c thông tin lư ng t ngày nay cho phép các nhà v t lí bàn b c l n n a v nh ng nan cơ b n phát sinh b i thuy t lư ng t . Tài li u tham kh o: M Arndt, K Hornberger and A Zeilinger 2005 Probing the limits of the quantum world Physics World March pp35–40 D Bouwmeester et al. (ed) 1999 The Physics of Quantum Information (Springer, Heidelberg) A Steinberg et al. 1996 Quantum optical tests of the foundations of physics The American Institute of Physics Atomic, Molecular, and Optical Physics Handbook (ed) G W F Drake (AIP Press) A Zeilinger et al. 2005 Happy centenary, photon ature 433 239 86 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay
Tác gi : Markus Aspelmeyer hi n ang làm vi c t i Vi n Quang h c lư ng t và Thông tin lư ng t (IQOQI) thu c Vi n Hàn lâm Khoa h c Áo Vienna; và Anton Zeilinger hi n làm vi c t i i h c Vienna và cũng IQOQI. hiepkhachquay d ch Ngu n: A quantum renaissance (Physics World, tháng 7/2008) An Minh, ngày 05/07/2008, 11:13:02 87 Tuy n Physics World 2008 | © hiepkhachquay