Thời kì phục hưng lượng tử

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:14

Thêm vào BST

Báo xấu

61
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Các nhà vật lí ngày nay thường xuyên có thể khai thác những tính chất khác thường của cơ học lượng tử để truyền tải, mã hóa và cả xử lí thông tin. Nhưng như Markus Aspelmeyer và Anton Zeilinger mô tả, những tiến bộ công nghệ của khoa học thông tin lượng tử ngày nay đang cho phép các nhà nghiên cứu chú tâm trở lại vào những nan đề cơ bản phát sinh bởi thuyết lượng tử.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Thời kì phục hưng lượng tử

Thời kì phục hưng lượng tử Các nhà vật lí ngày nay thường xuyên có thể khai thác những tính chất khác thường của cơ học lượng tử để truyền tải, mã hóa và cả xử lí thông tin. Nhưng như Markus Aspelmeyer và Anton Zeilinger mô tả, những tiến bộ công nghệ của khoa học thông tin lượng tử ngày nay đang cho phép các nhà nghiên cứu chú tâm trở lại vào những nan đề cơ bản phát sinh bởi thuyết lượng tử. Trí tò mò thuần túy đã từng là động lực sau nhiều thí nghiệm đột phá trong vật lí học. Điều này không gì minh họa tốt hơn bằng trong cơ học lượng tử, thoạt đầu là nền vật lí của những vật cực nhỏ. Kể từ khi khai sinh ra nó vào thập niên 1920 và 1930, các nhà nghiên cứu đã muốn quan sát những tính chất phản trực giác của cơ học lượng tử một cách trực tiếp trong phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, vì kĩ thuật thực nghiệm không được phát triển đủ vào lúc đó, nên những người như Niels Bohr, Albert Einstein, Werner Heisenberg và Erwin Schrödinger thay vì thế đã dựa trên những thí nghiệm tưởng tượng để nghiên cứu nền vật lí lượng tử của từng hạt một, chủ yếu là electron và photon. Vào thập niên 1970, công nghệ đã bắt kịp, tạo ra một “cơn sốt vàng” những thí nghiệm cơ bản tiếp tục cho đến thập niên 1990. Những thí nghiệm này xác nhận thuyết lượng tử với sự thành công đáng chú ý, và thách thức nhiều giả thuyết được nhiều người chấp nhận về thế giới vật chất. Trong số những giả thuyết này là “thuyết duy thực” (đại khái nó phát biểu rằng kết quả của các phép đo hé lộ các đặc điểm của thế giới thì tồn tại độc lập với phép đo), “thuyết cục bộ” (rằng kết quả của các phép đo ở đây và lúc này không phụ thuộc vào một số hoạt động có thể tiến hành ở một nơi rất xa đúng vào lúc này), “thuyết phi ngữ cảnh” (khẳng định rằng kết quả của các phép đo thì độc lập với ngữ cảnh của thiết bị đo). 1
Nhưng một bất ngờ lớn đã chờ đón những ai đang nghiên cứu trong lĩnh vực này. Các thí nghiệm lượng tử cơ bản làm phát sinh một lĩnh vực hoàn toàn mới nhờ đó các nhà nghiên cứu áp dụng các hiện tượng như chồng chất, sự rối và tính ngẫu nhiên để mã hóa, truyền tải và xử lí thông tin trong khuôn khổ mới lạ triệt để. “Khoa học thông tin lượng tử” ngày nay là một lĩnh vực chuyên môn đang bùng nổ mang lại những ứng dụng nghe có vẻ vị lai như máy tính lượng tử, mật mã lượng tử và truyền thông lượng tử vào trong tầm với. Hơn nữa, những tiến bộ công nghệ làm cơ sở cho nó đã mang lại cho các nhà nghiên cứu sự điều khiển chưa từng có tiền lệ trên từng hệ lượng tử một. Quyền điều khiển đó hiện đang khuấy động một sự phục hưng trong trí tò mò của chúng ta về thế giới lượng tử, bởi nó cho phép các nhà vật lí lưu tâm đến những khía cạnh cơ bản mới của cơ học lượng tử. Hóa ra, điều này có thể mở ra một xa lộ mới trong nền khoa học thông tin lượng tử. Phản trực giác Cả những thí nghiệm cơ lượng tử cơ bản và khoa học thông tin lượng tử đều nợ nhiều vào sự ra đời của laser vào thập niên 1960, nó đã mang lại những phương pháp mới và hi ệu quả cao để chuẩn bị từng hệ lượng tử nhằm kiểm tra các tiên đoán của thuyết lượng tử. Thật vậy, sự phát triển ban đầu của các thí nghiệm vật lí lượng tử cơ bản đã đi song hành với một số nghiên cứu thực nghiệm đầu tiên về quang học lượng tử. Một trong những bước nhảy thực nghiệm chủ yếu vào lúc đó là khả năng tạo ra các cặp photon “rối”. Vào năm 1935, Schrödinger đã đặt ra thuật ngữ “sự rối” để chỉ các cặp hạt được mô tả duy nhất bởi tính chất chung của chúng thay cho tính chất riêng rẽ của chúng – nó đi ngược lại với kinh nghiệm của chúng ta về thế giới vĩ mô. Trước đó không lâu, Einstein, Boris Podolsky và Nathan Rosen (gọi tên chung là EPR) đã sử dụng một thí nghiệm tưởng tượng biện hộ rằng nếu sự rối tồn tại, thì mô tả cơ lượng tử đó của thực thể vật lí phải không hoàn chỉnh. Einstein không thích quan niệm rằng trạng thái lượng tử của một hạt bị rối có thể thay đổi tức thời khi một phép đo được tiến hành trên hạt kia. Gọi nó là tác dụng “ma quỷ” từ xa, ông hi vọng về một lí thuyết vật lí hoàn chỉnh hơn của cái rất nhỏ không biểu hiện những đặc điểm kì lạ như thế. Điều này nằm tại tâm điểm của một cuộ tranh luận nổi tiếng giữa Einstein và Bohr xem nền vật lí mô tả tự nhiện “là nó thực sự như thế”, như quan điểm của Einstein, hay nó mô tả “cái chúng ta có thể nói về tự nhiên”, như Bohr tin tưởng. Mãi cho đến thập niên 1960 thì những câu hỏi này thuần túy mang tính triết học trong tự nhiên. Nhưng vào năm 1964, nhà vật lí Bắc Ireland, John Bell, nhận ra rằng các thí nghiệm về những hạt rối có thể cung cấp mộ t phép kiểm tra xem có một mô tả nào hoàn chỉnh hơn về thế giới ngoài thuyết lượng tử ra hay không. EPR tin rằng một lí thuyết như thế là tồn tại. 2
Bell dựa trên luận chứng của ông về hai giả thuyết do EPR đưa ra trái ngược hẳn bởi tính chất của các hạt rối. Thứ nhất là thuyết cục bộ, phát biểu rằng kết quả của những phép đo tiến hành trên một hạt phải độc lập với mọi thứ đồng thời thực hiện với đối tác rối của nó nằm ở khoảng cách xa tùy ý. Thứ hai là thuyết duy thực, phát biểu rằng kết quả của một phép đo trên một trong các hạt phản ánh các tính chất của hạt mang trước đó và độc lập với phép đo. Bell chỉ ra rằng một kết hợp đặc biệt của các phép đo tiến hành trên những cặp hạt được chuẩn bị đồng nhất sẽ tạo ra một giới hạn số (ngày nay gọi là bất đẳng thức Bell) thỏa mãn mọi lí thuyết vật lí tuân theo hai giả thuyết này. Tuy nhiên, ông cũng chỉ ra rằng giới hạn này bị vi phạm bởi các tiên đoán của vật lí lượng tử cho các cặp hạt bị rối (Physics 1 195). Thí nghiệm trên các cặp rối hay bộ ba photon có thể dùng để kiểm tra quan niệm về hiện thực vật chất. Trong các thí nghiệm kiểu Bell ban đầu, cả hai photon của một cặp rối có sự phân cực thẳng giống nhau đối với các bộ phân cực song song. Nhưng với các bộ phân cực hướng chếch một góc nhỏ so với nhau, như tr ong hình, thì kết quả tương tự thu được thường xuyên hơn với cả hai photon so với được phép nếu sự phân cực là một tính chất cục bộ thật sự của các photon. Ví dụ, xét sự phân cực của các photon. Một photon độc thân có thể bị phân cực theo một hướng đặc biệt, nói ví dụ là theo phương ngang, và chúng ta có thể đo sự phân cực này bằng cách cho photon đi qua một kính phân cực định hướng ngang. Một tiếng tách trên máy dò photon đặt phía sau nó xác nhận phép đo là thành công và cho thấy photon đó bị phân cực ngang; còn không có tiếng tách có nghĩa là photon bị phân cực theo phương thẳng đứng. Tuy nhiên, trong trường hợp một cặp photon bị rối, từng photon riêng rẽ hóa ra không mang bất kì sự phân cực đặc biệt nào trước khi chúng được đo! Việc đo sự phân cực ngang của một trong các photon sẽ luôn luôn cho kết quả ngẫu nhiên, do đó khiến nó có khả năng tương đương nhau tìm thấy một photon phân cực ngang hay phân cực dọc. Cho đến nay, việc tiến hành cùng phép đo trên photon kia của cặp bị rối (giả sử một loại trạng thái rối nhất định nào đó) sẽ cho thấy cả hai photon bị phân cực theo hướng giống nhau. Điều này đúng cho mọi hướng đo và độc lập với khoảng cách không gian của các hạt. 3
Bất đẳng thức Bell đã mở ra khả năng kiểm tra những giả thuyết nền tảng nhất định của các lí thuyết vật lí – và nỗ lực nghiêm túc được Abner Shimony thuộc Đại học Boston gán cho là “siêu hình học thực nghiệm”. Trong các thí nghiệm Bell như thế, hai nhà quan sát ở xa đo sự phân cực của các hạt rối theo những hướng khác nhau và tính ra sự tương liên giữa chúng. Vì tương quan lượng tử giữa các phép đo phân cực độc lập trên các hạt rối có thể mạnh hơn nhiều so với được phép bởi bất cứ lí thuyết hiện thực cục bộ nào, nên bất đẳng thức Bell sẽ bị vi phạm. Các lỗ thòng lọng lượng tử Phép kiểm tra đầu tiên như thế đã được tiến hành, sử dụng các photon rối vào năm 1972, bởi Stuart Freedman và John Clauser thuộc Đại học California ở Berkeley; bất đẳng thức Bell bị vi phạm và các tiên đoán của thuyết lượng tử được xác nhận (Phys. Rev. Lett. 28 938). Nhưng từ sớm đã tồn tại một số lỗ thòng lọng khiến các nhà nghiên cứu không thể nào loại trừ mọi mô hình “hiện thực cục bộ” có thể có như những lời giải thích cho các tương quan quan sát thấy. Ví dụ, có thể là các hạt được phát hiện không phải là vật mẫu hợp lí của mọi hạt do nguồn phát ra (cái gọi là lô thòng lọng dò tìm) hoặc các bộ phận khác nhau của thí nghiệm có thể vẫn nối kết nhau theo kiểu nhân quả (lỗ thòng lọng cục bộ). Để khép kín những lỗ thòng lọng này, những điều kiện thực nghiệm nghiêm đặt hơn phải được thỏa mãn. Năm 1982, Alain Aspect và các đòng sự tại Université Paris-Sud ở Orsay, Pháp, đã tiến hành một loạt thí nghiệm tiên phong rất gần với đề xuất ban đầu của Bell. Đội nghiên cứu đã bố trí hai cơ cấu dò tim hai kênh để tránh đưa ra các giả định về photon không đi qua bản phân cực (Phys. Rev. Lett. 49 91), và các nhà nghiên cứu còn thay đổi tuần hoàn – và do đó mang tính tiền định sự định hướng của các bản phân cực sau khi các photon được phát ra khỏi nguồn (Phys. Rev. Lett. 49 1804). Cả dưới những điều kiện chặt chẽ hơn này, bất đẳng thức Bell vẫn bị vi phạm trong cả hai trường hợp, vì thế làm giảm đáng kể cơ hội giải thích mang tính hiện thực cục bộ về sự rối lượng tử. Năm 1998, một trong hai tác giả hiện nay (AZ) và các đồng sự, khi đó ở trường đại học Innsbruck, đã khép kín lỗ thòng lọng cục bộ bằng cách sử dụng hai máy phát số ngẫu nhiên lượng tử độc lập hoàn toàn để thiết đặt hướng của các phép đo photon. Điều này có nghĩa là hướng mà sự phân cực của từng photon được đo được quyết định ở thời khắc cuối cùng, sao cho không có tín hiệu nào (yêu cầu phải truyền chậm hơn tốc độ ánh sáng) có thể truyền thông tin đến phía bên kia trước khi photon đó được ghi nhận (Phys. Rev. Lett. 81 5039). Bất đẳng thức Bell bị vi phạm. 4
Sau đó, vào năm 2004, David Wineland và các cộng sự tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ quốc gia (NIST) ở Colorado, Mĩ, bắt đầu khép kín lỗ thòng lọng dò tìm bằng cách sử dụng các máy dò với hiệu suất hoàn hảo trong một thí nghiệm liên quan tới các ion beryllium rối (Nature 409 791). Một lần nữa, bất đẳng thức Bell bị vi phạm. Thật vậy, mọi kết quả tính đến khi đó đều cho thấy không có lí thuyết hiện thự c cục bộ nào có thể giải thích sự rối lượng tử. Trong cái gọi tên là thí nghiệm GHZ, ví dụ, sự phân cực tròn của hai photon thuộc tr ạng thái rối ba photon cho phép cơ học lượng tử tiên đoán với độ chắc chắn sự phân cực thẳng của photon thứ ba (trên cùng), trong trường hợp này nó phân cực ngang. Thuyết hiện thực cục bộ sẽ tiên đoán sự phân cực thẳng trực giao – trong trường hợp này là thẳng đứng. Nhưng phép kiểm tra cuối cùng của định lí Bell vẫn thiếu sót: một thí nghiệm đơn lẻ kép kín mọi lỗ thòng lọng một lúc. Rất không có khả năng là một thí nghiệm như thế sẽ mâu 5
thuẫn với tiên đoán của cơ học lượng tử, vì điều này ngụ ý rằng tự nhiên sử dụng cả lỗ thòng lọng dò tìm trong thí nghiệm Innsbruck lẫn lỗ thòng lọng cục bộ trong thí nghiệm NIST. Tuy nhiên, tự nhiên có thể là có thiếu sót, và một thí nghiệm như vậy là đáng thực hiện nếu chúng ta cuối cùng khép quyển sách lại ở thuyết duy thực cục bộ. Năm 1987, Daniel Greenberger thuộc New York City College, Michael Horne thuộc Stonehill College và AZ (nhóm GHZ) nhận ra sự rối của ba hay nhiều hạt hơn sẽ mang lại một ràng buộc còn mạnh mẽ hơn lêm thuyết duy thực cục bộ so với sự rối hai hạt (Am. J. Phys. 58 1131). Trong khi hai hạt bị rối không ăn khớp với thuyết duy thực cục bộ chỉ ở các tính chất thống kê của chúng, đó là điều cốt lõi của định lí Bell, thì ba hạt rối có thể tạo ra sự mâu thuẫn trực tiếp ở một kết quả đo đơn lẻ vì các phép đo trên hai trong số các hạt cho phép chúng ta tiên đoán chắc chắn tính chất của hạt thứ ba. Những thí nghiệm đầu tiên về ba photon rối được tiến hành vào cuối năm 1999 bởi AZ và các cộng sự, và họ làm sáng tỏ một điều nổi vật phù hợp với thuyết lượng tử (Nature 403 515). Trong chừng mực nào đó, mọi phép kiểm tra về bất đẳng thức Bell và về ba hạt rối (gọi là thí nghiệm GHZ) xác nhận các tiên đoán của thuyết lượng tử, và do đó mâu thuẫn với giả thuyết chung của thuyết duy thực và thuyết cục bộ là giả thuyết cơ sở đang phát huy tác dụng cho mọi lí thuyết vật lí muốn giải thích các điểm của những hạt bị rối. Khoa học thông tin lượng tử Nhiều thí nghiệm tuyệt vời đã được thực hiện vào những ngày đầu của quang học lượng tử thúc đẩy sự hứng thú trở lại với những khái niệm cơ bản của vật lí lượng tử. Bằng chứng cho điều này có thể thấy, ví duk, ở số lượng trích dẫn mà bài báo EPR nhận được, nó tranh luận rằng sự rối làm cho mô tả cơ lượng tử của thực tại vật lí là không hoàn chỉnh. Bài báo đó được trích dẫn chỉ khoảng 40 lần từ khi nó xuất bản năm 1935 đến năm 1965, ngay sau khi Bell phát triển bất đẳng thức của ông. Cho đến nay, nó có hơn 4000 trích dẫn, với trung bình 200 lần trích dẫn mỗi năm kể từ năm 2002. Một phần lí do cho sự gia tăng này là các nhà nghiên cứu từ nhiều lĩnh vực khác bắt đầu nhận ra những hệ quả ngoạn mục của việc sử dụng sự rối và các khái niệm lượng tử khác để mã hóa, truyền tải và xử lí thông tin. Sử dụng mật mã lượng tử, áp dụng tính ngẫu nhiên, sự chồng chất và, trong một cơ cấu do Artur Ekert thuộc Đại học Oxford ở Anh đề xuất, sự rối hai hạt để truyền thông tin chống trộm một cách an toàn được đảm bảo bởi định luật vật lí. Ứng dụng này của khoa học thông tin lượng tử đã ra khỏi môi trường phòng thí nghiệm. Vào năm 2004, chẳng hạn, AZ và các cộng sự tại Đại học Vienna đã chuyển tiền an toàn giữa một ngân hàng Áo và Vienna City Hall bằng các cặp photon rối do laser phát ra trong một quá trình quang phi tuyến và được 6
phân phối thông qua sợi quang. Gần đây hơn, hai chương trình hợp tác quốc tế đã có thể phân phối các photon rối trên khoảng cách 144 km giữa La Palma và Tenerife, bao gồm một minh chứng của mật mã lượng tử, và hồi đầu năm nay còn cho thấy những đường truyền như thế có thể được thiết lập trong không gian bằng cách cho phản xạ các xung laser đã làm yếu tới mức photon độc thân ra khỏi vệ tinh trở lại trạm thu ở mặt đất. Các sản phẩm mật mã lượng tử thương mại dựa trên các xung laser đã làm yếu đã có mặt trên thị trường, và thách thức hiện nay là thu được tốc độ bit cao hơn và truyền ở những khoảng cách xa hơn. Mật mã lượng tử, cho phép thông tin được gửi đi hoàn toàn an toàn giữa hai nơi, hoạt động d ựa trên sự rối. Các cặp photon bị bẫy phân cực được phân phối giữ Alice và Bob, họ muốn chia sẻ một tin nhắn bí mật (trong trường hợp này là ảnh của hình nộm thần Vệ nữ nổi tiếng xứ Willendorf). Đo sự phân cực của từng photon bị bẫy riêng rẽ sẽ cho một kết quả hoàn toàn ngẫu nhiên. Tuy nhiên, nếu Alice và Bob tiến hành phép đo theo hướng phân cực giống nhau, thì kết quả của họ luôn luôn giống nhau trong từng cặp bị bẫy. Bằng cách đo nhiều cặp, Alice và Bob thu được chuỗi số ngẫu nhiên giống nhau, khi đó họ sử dụng nó làm khóa bảo mật. Alice trộn khóa của cô (góc trên bên trái) với hình gốc (phía dưới bên trái). Hình ảnh mã hóa (ở giữa phía dưới) là an toàn với kẻ nghe trộm vì tính ngẫu nhiên của khóa. Tuy nhiên, Bob có thể dễ dàng giải mã tin nhắn bằng khóa của anh ta (góc dưới bên phải). Kẻ nghe trộm tiềm tàng có thể bị phát hiện vì việc can thiệp với các photon của cặp bị bẫy làm phá hỏng sự rối. Đây là hệ quả của nguyên lí bất định, và do đó tính an toàn của mật mã lượng tử được đảm bảo. Thí nghiệm ban đầu chứng minh hiệu ứng này được tiến hành bởi một đội tại Đại học Innsbruck vào năm 1998 trên khoảng cách hơn 300 m (Phys. Rev. Lett. 84 4729). Theo kiểu tương tự, con đường dẫn tới các thí nghiệm GHZ đã mở ra lĩnh vực rộng lớn của sự rối nhiều hạt, nó có ứng dụng, trong số những thứ khác, trong đo lường lượng tử. Ví dụ, sai số lớn hơn ở số lượng photon rối trong giao thoa kế dẫn tới sai số nhỏ hơn trong pha của 7
chúng, nhờ đó mang lại phép đo chính xác hơn so với một thí nghiệm tương tự sử dụng cùng số lượng photon không bị rối. Máy tính lượng tử, bằng cách xử lí thông tin thông qua trạng thái của các hệ lượng tử như nguyên tử và photon, hứa hẹn sẽ làm tốt hơn máy tính cổ điển trong những nhiệm vụ nhất định. Một phương pháp chế tạo một mẫu thực tiễn của một dụng cụ như thế là cái gọi là máy tính lượng tử một chiều. Được đề xuất vào năm 2001, nó hoạt động trên sự rối. Trong sự hiện thực hóa lượng tử, năng lượng phát ra từ một laser bơm đi qua tinh thể beta barium borate (BBO) phi tuyến hai lần để làm phát ra hai cặp photon rối, nghĩa là bốn mode không gian chứa bốn photon cả thảy. Sự chồng chất kết hợp ở hai bộ tách chùm phân cực đảm bảo bốn photon được phát hiện cuối cùng ở trong “trạng thái đám”, biết nơi đặt thích hợp của các bản nửa sóng và bả n phân cực. Kể từ năm 2005, các thí nghiệm chứng-minh-khái-niệm (ở trên) với cơ cấu máy tính lượng tử cơ bản này đã cho phép thực hành điện toán thuật toán tìm kiếm Grover, một song đề của tù nhân lượng tử và chứng minh không gian con tách kết hợp tự do (như yêu cầu đối với điện toán lượng tử thử-sai) đã được thực hiện. Sự rối nhiều hạt còn thiết yếu cho tính toán lượng tử. Tính toán lượng tử khai thác các hiện tượng lượng tử cơ bản cho phép các phép tính được thực hiện với tốc độ chưa từng thấy – có lẽ còn giải được những bài toán quá phức tạp đối với máy tính thông thường, ví dụ như phân tích thừa số thành những số nguyên tố lớn hoặc cho phép tìm kiếm cơ s ở dữ liệu thật nhanh. Ý tưởng chủ chốt đằng sau phép tính toán lượng tử là mã hóa và xử lí thông tin trong các hệ vật lí tuân theo các quy luật của cơ học lượng tử. Nhiều nghiên cứu hiện nay, do đó, 8
dành cho tìm kiếm các bit lượng tử, hay “qubit” xác thực có thể liên kết với nhau để hình thành các thanh ghi và cổng lôgic tương tự như trong máy tính thông thường, chúng sẽ cho phép các thuật toán lượng tử trọn vẹn được thực hiện. Tuy nhiên, vào năm 2001, Robert Raussendorf và Hans Briegel, khi đó làm việc tại Đại học Munich ở Đức, đã đề xuất một lộ trình khác cho điện toán lượng tử dựa trên “trạng thái đám” nhiều hạt bị rối cao độ (Phys. Rev. Lett. 86 5188). Trong cơ cấu này, gọi là điện toán lượng tử “một chiều”, một phép tính điện toán được thực hiện bằng cách đo từng hạt của trạng thái đám rối trong một chuỗi đặc biệt xác định bởi phép tính nhất định được tiến hành. Từng hạt được đo không còn bị rối với những hạt khác và do đó không sẵn sàng cho phép điện toán khác nữa. Nhưng những hạt đó vẫn ở trong trạng thái đám sau khi từng phép đo theo đuổi một trạng thái đặc biệt tùy thuộc vào phép đo nào được tiến hành. Vì kết quả đo của bất kì hạt bị rối riêng rẽ nào cũng hoàn toàn ngẫu nhiên, nên các trạng thái khác nhau thu được cho các hạt còn lại sau từng phép đo. Nhưng chỉ trong một trường hợp đặc biệt trạng thái còn lại là trạng thái thích hợp. Ý tưởng then chốt của Raussendorf và Briegel là loại trừ sự ngẫu nhiên đó bằng cách tạo ra chuỗi phép đo đặc biệt tùy thuộc vào kết quả trước đó. Toàn bộ cơ cấu, vì thế, miêu tả một máy tính lượng tử quyết định luận, trong đó các hạt còn lại vào cuối tất cả phép đo mang lại kết quả của phép điện toán. Năm 2005, các tác giả hiện nay và đồng nghiệp ở Vienna đã chứng minh nguyên lí điện toán lượng tử một chiều và cả một thuật toán tìm kiếm đơn giản sử dụng trạng thái rối bốn photon (Nature 434 169). Sau đó, vào năm 2007, Jian-Wei Pan thuộc Đại học Khoa học và Công ngệ Trung Hoa ở Hefei và các cộng sự đã thực hiện một cơ cấu tương tự gồm sáu photon. Một thuận lợi dễ nhận thấy của máy tính lượng tử một chiều là tốc độ chưa từng có của nó, với thời gian từ phép đo của một photon tới phép đo tiếp theo, tức là một chu kì điện toán, mất không hơn 10 ns. Vấn đề phát sinh Công nghệ phát triển trong 20 năm qua làm cho việc xử lí và truyền thông tin lượng tử trở thành hiện thực mang lại cho các nhà nghiên cứu quyền điều khiển chưa từng có tiền lệ trên từng hệ lượng tử riêng lẻ. Ví dụ, ngày nay rõ ràng là điện toán lượng tử photon tính hoàn toàn là có thể nhưng nó yêu cầu các nguồn phát photon bị rối và photon độc thân thuần khiết cao, cộng với khả năng điều khiển xác thực trạng thái lượng tử của các photon hay những hệ lượng tử khác trong phần nhỏ của nano giây. Những công cụ cần thiết cho sự phát triển này và những phát triển khác đã và đang được cải thiện liên tục, tự nó đã mở ra những cách thức hoàn toàn mới để khám phá những câu hỏi sâu sắc phát sinh bởi thuyết lượng tử. 9
Một câu hỏi như thế một lần nữa là nói về quan niệm về tính cục bộ và tính duy thực. Toàn bộ nhóm thí nghiệm Bell và GHZ tiến hành trong các năm cho thấy ít nhất là một trong hai giả thuyết này là không tương thích để mô tả thế giới vật chất (ít nhất là chừng nào mà các trạng thái rối còn có tham gia). Nhưng định lí Bell không cho phép chúng ta nói giả thuyết nào trong hai giả thuyết phải vứt bỏ. Trong một thí nghiệm kiểu Legget, các tương quan giữa sự phân cực thẳng đối với mộ t photon và phân cực elip của photon kia có thể chỉ ra là đã vi phạm thế giới quan duy thực, cho dù là sự truyền thông phi cục bộ tức thời được phép. Như biểu diễn trong hình, sự phân cực tròn và elip của các photon độc thân có thể đo bằng những kết hợp thích hợp của bản một phần tư sóng và bản phân cực thẳng. Năm 2003, Anthony Leggett thuộc Đại học Illinois tại Urbana-Champaign ở Mĩ đã cung cấp một câu trả lời bộ phận bằng cách đưa ra một định lí xung khắc mới mang rất nhiều tinh thần của thuyết Bell, nhưng với một tập hợp giả thuyết khác. (Found. Phys. 33 1469). Ý tưởng của ông là vứt bỏ giả thuyết cục bộ và nêu câu hỏi không biết, trong một tình huống như thế, một quan niệm hợp lí về thuyết duy thực – cụ thể là quy một sự phân cực ổn định là tính chất “thật” của từng hạt trong một cặp bị rối – có đủ để làm hồi sinh trọn vẹn thuyết lượng tử. Qua trực giác, người ta có thể trông đợi rằng những tác dụng phi cục bộ đã chọn đúng có thể tạo ra các tương quan tùy ý. Sau hết thảy, nếu bạn cho phép kết quả phép đo của mình phụ thuộc vào mọi thứ đang tiến triển trong toàn bộ vũ trụ (kể cả tại vị trí của thiết bị đo thứ hai), thì tại sao bạn phải chờ đơi một sự ràng buộc lên những tương quan đó ? Trong trường hợp đặc biệt của một cặp photon phân cực bị rối, lớp lí thuyết duy thực phi cục bộ Leggett bắt đầu kiểm tra những giả thuyết sau đây: từng hạt của một cặp phát ra từ nguồn với một sự phân cực rõ ràng; và các ảnh hưởng phi cục bộ có mặt sao cho từng kết quả đo riêng lẻ có thể phụ thuộc vào bất kì thông số nào ở một khoảng cách tùy ý tính từ phép đo. 10
Các tiên đoán của những lí thuyết như thế vi phạm các bất đẳng thức Bell ban đầu do các tác dụng phi cục bộ được phép, nên thật là tự nhiên nếu nêu câu hỏi không biết chúng có khả năng làm hồi sinh toàn bộ những tiên đoán của thuyết lượng tử hay không. Leggett chỉ ra rằng đây không phải trường hợp đó. Tương tự như Bell, ông ngĩ ra một hệ bất đắng thức cho những phép đo nhất định trên hai hạt bị rối thỏa mãn bởi mọi lí thuyết dựa trên những giả thuyết duy thực phi cục bộ này nhưng chúng bị vi phạm bởi các tiên đoán thuyết lượng tử. Việc kiểm tra hệ bất đẳng thức Leggett thì mang tính thách thức hơn so với kiểm tra hệ bất đẳng thức Bell vì chúng yêu cầu các phép đo phân cực thẳng lẫn phân cực elip và sự rối chất lượng cao hơn nhiều. Nhưng vào năm 2007, nhờ sự tiến bộ vượt bậc được thực hiện với các nguồn photon bị bẫy, các tác giả hiện nay và đồng sự ở Vienna đã có thể kiểm tra một bất đẳng thức Leggett về mặt thực nghiệm bằng cách đo các tương quan giữa sự phân cực thẳng và phân cực elip của các photon rối (Nature 446 871). Thí nghiệm xác nhận các tiên đoán của thuyết lượng tử và do đó loại trừ một lớp rộng các lí thuyết duy thực phi cục bộ là một cơ sở khái niệm cho các hiện tượng lượng tử. Giống với sự tiến triển của các thí nghiệm Bell, các thí nghiệm Leggett nghiêm ngặt hơn nhanh chóng được theo đuổi. Ví dụ, các thí nghiệm độc lập tiến hành vào năm 2007 bởi đội Vienna (Phys. Rev. Lett. 99 210406) và bởi các nhà nghiên cứu tại Đại học Geneva và Đại học quốc gia Singapore (Phys. Rev. Lett. 99 210407) xác nhận một sự vi phạm của bất đẳng thức Leggett dưới những giả thuyết cởi mở hơn, từ đó mở rộng lớp mô hình duy thực phi cục bộ bị cấm. Hai thứ là rõ ràng từ những thí nghiệm này. Thứ nhất, nó không đủ để vứt bỏ hoàn toàn quan niệm về tính cục bộ. Thứ hai, người ta phải từ bỏ ít nhất là quan niệm duy thực chất phác rằng các hạt có những tính chất nhất định (trong trường hợp của chúng ta là sự phân cực) thì độc lập với mọi quan sát. Những giới hạn vĩ mô Ảnh hưởng qua lại gần gũi giữa khoa học thông tin lượng tử và tính hiếu kì cơ bản còn được chứng minh bởi một số thí nghiệm hấp dẫn bao hàm các hạt nặng hơn. Theo thuyết lượng tử, không có giới hạn trên thực chất nào lên kích thước hay tính phức tạp của hệ vật chất trên đó các hiệu ứng lượng tử không còn xảy ra. Đây là tâm điểm của nghịch lí con mèo nổi tiếng của Schrödinger, giễu cợt tình huống đo bằng cách đề xuất một thí nghiệm nhờ đó người ta có thể làm cho một con mèo ở vào sự chồng chất của sự sống và chết. Một trường hợp đặc biệt hấp dẫn là sự giao thoa “sóng vật chất”. Electron, neutron và nguyên tử đã được làm cho biểu hiện các hiệu ứng giao thoa khi đi qua một khe đôi, do đó chứng tỏ rằng các hệ nặng này không chỉ đi qua khe này hoặc khe 11
kia. Hành trạng tương tự đã được quan sát thấy gần đây hơn vào năm 1999 bởi AZ và các đồng sự tại Vienna đối với các phân tử fullerene tương đối lớn carbon-60 và carbon-70 (Nature 401 680), và các nghiên cứu đang triển khai đã chứng minh sự giao thoa đối với các hệ còn nặng hơn và lớn hơn nữa. Một trong những mục tiêu chủ yếu của nghiên cứu này là nhận ra sự giao thoa lượng tử đối với các virus nhỏ hay có lẽ còn với cả vi khuẩn nano. Bằng cách nghiên cứu hành trạng cơ lượng tử của các đối tượng ngày càng lớn hơn và nặng hơn, c ác nhà nghiên cứu có được một cơ hội tốt hơn để xây dựng máy tính lượng tử xác thực hoặc phát triển những ứng dụng khác của khoa học thông tin lượng tử. Kỉ lục thế giới hiện nay cho đối tượng nặng nhất biểu hiện sự giao thoa lượng tử trong một thí nghiệm hai khe, tức là để chứng minh hành trạng kiểu sóng bất chấp đặc điểm kiểu hạt của chúng, là phân tử fluorinate fullerene C60F48 với khối lượng bằng 1632 đơn vị khối lượng nguyên tử ( hình trên bên trái) (Phys. Rev. Lett. 91 090408). Đối tượng lớn nhất biểu hiện sự giao thoa là phân tử “azobenzene” (hình dưới) (Nature Physics 3 711), như chứng minh bởi đội của Markus Arndt tại Đại học Vienna. Dụng cụ cộng hưởng cơ (hình trên bên phải) đến nay vẫn chưa đi vào địa hạt, nhưng điều này có thể sớm thay đổi với nhữn g đối tượng đó được làm lạnh tới trạng thái lượng tử cơ bản của chúng. Dụng cụ cộng hưởng đặc biệt này chứa một cái gương phản xạ cao đặt trên một đầu mút kẹp dao động, nó có thể được khởi động thông qua áp suất bức xạ kết hợp với một hộp quang tinh vi cao. Rất gần đây, khả năng làm lạnh các dụng cụ vi cơ đến những nhiệt độ rất thấp đã mở ra một con đường mới để kiểm tra các hệ chứa lên tới 1020 nguyên tử. Một mục tiêu hấp dẫn của các thí nghiệm khảo sát thế giới lượng tử của các đầu mút cơ là chứng minh sự rối giữa một hệ vi mô như một photon và một hệ cơ- hay cả giữa hai hệ cơ. 12
Trong khi động cơ thúc đẩy nghiên cứu các hệ lượng tử vĩ mô là sự hiếu kì thuần túy, thì nghiên cứu đã chạm tới những câu hỏi quan trọng trong khoa học thông tin lượng tử. Đây là vì các hệ lượng tử càng lớn hay phức tạp thì càng tương tác với môi trường xung quanh chúng, điều đó quan trọng đối với các phân tử vĩ mô hay đầu mút khi nó làm các thanh ghi lớn của một máy tính lượng tử. Một hệ quả của tương tác này với thế giới bên ngoài là “sự tách kết hợp”, qua đó hệ thực sự trở nên bị rối với môi trường và vì thế mất trạng thái lượng tử riêng của nó. Kết quả là các phép đo của hệ đó không còn có thể hé mở bất kì dấu hiệu lượng tử nào. Việc tìm cách tránh sự tái kết hợp do đó là chủ đề nóng trong các thí nghiệm lượng tử vĩ mô lẫn trong khoa học thông tin lượng tử. Với các phân tử fullerene chẳng hạn, hiệu ứng tách kết hợp đã được nghiên cứu hết sức cặn kẽ vào năm 2004 bằng cách ghép đôi chúng với môi trường bên ngoài theo những cách khác nhau, có thể điều chỉnh được (Nature 427 711). Từ quan điểm thực nghiệm, chúng ta thấy không có lí do gì trông đợi sự tách kết hợp không thể vượt qua đối với các hệ vĩ mô hơn nhiều so với có thể thực hiện lúc này trong phòng thí nghiệm. Tính hiếu kì lượng tử Vật lí lượng tử và khoa học thông tin mà nó đã thúc đẩy ra đời là hai mặt của một đồng tiền: là cảm hứng cho những phương pháp mới về mặt khái niệm đối với những ứng dụng ở mặt này; và là hộp công cụ cho phép những câu hỏi cơ bản mới ở mặt bên kia. Thường xảy ra là những công nghệ mới làm phát sinh những nghi vấn không được trả lời trước đó, đơn giản vì người ta không thể tưởng tượng cái gì đã trở nên có thể thực hiện trong phòng thí nghiệm. Một trường hợp như thế là khả năng của chúng ta đang tăng lên với việc điều khiển các hệ lượng tử phức tạp tồn tại trong không gian Hilbert cao chiều – không gian toán học trong đó các trạng thái lượng tử được mô tả. Đa số những câu hỏi cơ sở đã biết trong thuyết lượng tử cho đến nay chỉ áp dụng các hệ tương đối đơn gảin, còn các chiều không gian Hilbert cao hơn có thể mang lại những đặc điểm định lượng mới cho cách hiểu nền vật lí lượng tử. Chúng ta bị thuyết phục rằng nhiều bất ngờ đang chờ chúng ta ở đó. Chúng ta mong rằng những phát triển lí thuyết và thực nghiệm trong tương lai sẽ làm sáng tỏ hơn nữa các đặc điểm phản trực giác của thuyết lượng tử thật sự không thể thiếu được trong mô tả của chúng ta về thế giới vật lí. Trong khi làm như vậy, chúng ta trông đợi thu được cái nhìn sâu sắc hơn về câu hỏi cơ bản nền tảng rằng thực tại là gì và làm thế nào mô tả nó. Mối quan hệ gần gũi giữa tính hiếu kì cơ bản của thế giới lượng tử và ứng dụng của nó trong khoa học thông tin có lẽ còn đưa đến những ý tưởng cho vật lí học vượt ngoài khuôn khổ cơ học lượng tử. 13
Tóm tắt Cơ học lượng tử đã thách thức các quan niệm mang tính trực giác về thực tại, ví dụ như tính chất của một hạt có tồn tại hay không trước khi một phép đo được tiến hành trên nó. Sự rối là một trong những khía cạnh khó hiểu nhất của thuyết lượng tử; nó ngụ ý rằng các kết quả đo trên hai hạt là quan hệ chặt chẽ với nhau một cách tức thời cho dù là chúng ở cách nhau bao xa chăng nữa. Kể từ thập niên 1970, các thí nghiệm nhiều lần cho thấy thuyết lượng tử là đúng, nhưng các nhà nghiên cứu vẫn đang nghĩ ra thêm các phép đo để tìm xem cơ học lượng tử cho chúng ta biết điều gì về thực tại vật lí. Những phép kiểm tra này đã làm phát sinh ra một lĩnh vực mới gọi là khoa học thông tin lượng tử, trong đó sự rối và những hiện tượng lượng tử khác được sử dụng để mã hóa, truyền tải và xử lí thông tin theo những phương pháp mới triệt để. Mức độ điều khiển tăng dần trên từng hệ lượng tử riêng rẽ chi phối nền khoa học thông tin lượng tử ngày nay cho phép các nhà vật lí bàn bạc lần nữa về những nan đề cơ bản phát sinh bởi thuyết lượng tử. Tài liệu tham khảo: 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 Nature 433 239 Tác giả: Markus Aspelmeyer hiện đang làm việc tại Viện Quang học lượng tử và Thông tin lượng tử (IQOQI) thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Áo ở Vienna; và Anton Zeilinger hiện làm việc tại Đại học Vienna và cũng ở IQOQI. hiepkhachquay dịch Nguồn: A quantum renaissance (Physics World, tháng 7/2008) An Minh, ngày 05/07/2008, 11:13:02 14