Giải Nobel vật lý 2022: Trong thế giới lượng tử kỳ quặc

Ảnh: OpenCurve

Các kết quả nghiên cứu độc lập của họ đã mở đường cho cuộc cách mạng thông tin lượng tử dẫn tới các công nghệ mới như máy tính lượng tử, viễn thông lượng tử, Internet lượng tử" - Ủy ban Nobel nói về ba nhà vật lý Alain Aspect (75 tuổi, người Pháp), John F. Clauser (79 tuổi, Mỹ) và Anton Zeilinger (77 tuổi, Áo) khi vinh danh các nghiên cứu thực nghiệm trong lĩnh vực vật lý lượng tử của họ bằng giải Nobel vật lý 2022.

Ba nhà vật lý đã tiến hành các thí nghiệm xác minh hiệu ứng "vướng mắc lượng tử" (quantum entanglement, cũng gọi là "liên đới lượng tử"), một giả thuyết của cơ học lượng tử đã gây nhiều tranh cãi trong giới khoa học.

Einstein cũng không tin

Albert Einstein từng dè bỉu gọi hiệu ứng này là "hành động quái gở ở cách xa nhau" của các hạt vi mô (các hạt nhỏ trong thế giới nguyên tử). Là một trong những người đặt nền móng cho cơ học lượng tử, sau này Einstein tỏ ra hết sức hoài nghi, thậm chí bác bỏ lý thuyết lượng tử vì cho rằng đó không phải là một lý thuyết hoàn chỉnh. Ông nói về lý thuyết này: "Thượng đế không chơi trò may rủi với vũ trụ".

Tuy vậy, cơ học lượng tử không những đã trở thành nền tảng khoa học giải thích bản chất cơ bản của tự nhiên, mà còn có những ứng dụng vô cùng quan trọng vào đời sống hằng ngày. Một vài ví dụ cụ thể là transistor và chip bán dẫn, được coi là hệ thần kinh điều khiển các thiết bị điện tử từ smartphone đến du thuyền vũ trụ, đều là phát minh dựa trên hiểu biết và ứng dụng cơ học lượng tử.

Việc xác minh bằng thực nghiệm hiệu ứng "vướng mắc lượng tử" không chỉ khẳng định tính đúng đắn của lý thuyết lượng tử, mà còn có ứng dụng quan trọng trong phát triển máy tính và viễn thông lượng tử - lĩnh vực chìa khóa của cuộc cách mạng thông tin lượng tử đang diễn ra với tốc độ chóng mặt và những khoản đầu tư hàng tỉ đô la hằng năm trên toàn thế giới.

Từ trái sang: Aspect, Clauser, và Zelinger. Ảnh: Spie

Cách sơn đả ngưu là có thật?

Những thập niên đầu thế kỷ 20, tức quãng thời gian thường được coi là cuộc cách mạng khoa học lần thứ hai, các nhà vật lý đang cố gắng tìm hiểu tính chất và vận động của các hạt trong thế giới vi mô. Một loạt định luật cơ học lượng tử rất trừu tượng và khó hiểu, nhiều tính chất của các hạt vi mô thậm chí trái ngược với hình dung thông thường. 

Trong số đó có một hiện tượng kỳ dị gọi là hiệu ứng "vướng mắc lượng tử". (Cá nhân người viết bài này muốn dịch thuật ngữ này là "quan hệ phức hợp lượng tử" hơn).

Hiện tượng này rất phức tạp, nhưng có thể đơn giản hóa như sau: Giả sử có hai hạt vi mô (electron hoặc photon chẳng hạn, tức hạt của ánh sáng) được tạo ra trong một điều kiện nhất định khiến chúng có mối quan hệ đặc biệt với nhau, và trạng thái vật lý của chúng luôn được coi là một tổ hợp thống nhất. Khi đó, dù cách xa nhau đến mấy, hai hạt này vẫn luôn ở trong mối quan hệ phức hợp kia.

Nếu tác động vào một trong hai hạt thì hạt kia cũng sẽ bị ảnh hưởng "liên đới" (nên còn gọi là "liên đới lượng tử"). Nói một cách hình tượng, các cặp hạt này giống một cặp sinh đôi dù bị tách ra từ lúc chào đời, nhưng vẫn có thể "thần giao cách cảm" về nhau, dù cách nhau hàng triệu cây số - nếu một trong hai người bị đánh thì người kia cảm nhận được lập tức. 

Hoặc một trong hai người di chuyển sang phải thì người kia sẽ di chuyển sang trái, do định luật bảo toàn động lượng của tổ hợp thống nhất ban đầu.

Cũng may là điều này chỉ xảy ra với các hạt trong thế giới vi mô, vì nếu nó xảy ra trong thế giới thực thì các ý niệm nhân quả sẽ lẫn lộn lung tung. Chẳng hạn, bạn đang ngủ bỗng thấy mình bị xô đẩy lắc lư trong khi ngôi nhà hoàn toàn tĩnh lặng. Hóa ra người anh em sinh đôi của bạn đang chơi đánh đu ở Disneyland bên kia bờ Thái Bình Dương. 

Những chiêu thức như "cách sơn đả ngưu", "lục mạch thần kiếm", "nhất dương chỉ"... như trong kiếm hiệp Kim Dung cũng hoàn toàn hiện thực, nếu người ta làm chủ được các tương tác lượng tử. Hiệu ứng "vướng mắc lượng tử" do đó gây tranh cãi là dễ hiểu. Ngay thông báo của Ủy ban Nobel cũng viết hiệu ứng này "đi ngược các ý tưởng thông thường về nhân quả...".

Những đóng góp mới

Trong một công trình công bố năm 1935 viết chung với Boris Podolski và Nathan Rosen, Einstein cố gắng bác bỏ cơ học lượng tử bằng cách chỉ ra rằng nếu các phép đo (tác động) lên một hạt của cặp hạt có quan hệ giả thuyết ảnh hưởng lập tức đến phép đo lên hạt kia, dù hai hạt cách nhau hàng triệu km, thì đồng nghĩa vận tốc lan truyền tác động là nhanh hơn vận tốc ánh sáng. 

Điều này vi phạm nguyên lý căn bản của lý thuyết tương đối do Einstein đề xuất từ năm 1905, vốn đã được kiểm chứng và xác minh bằng thực nghiệm.

Đây chính là lập luận cơ sở để bác bỏ hiệu ứng vướng mắc lượng tử và cơ học lượng tử nói chung. Mãi đến năm 1964, nhà vật lý lý thuyết John Stewart Bell, vốn cũng hoài nghi cơ học lượng tử, mới đề xuất thí nghiệm để kiểm chứng xem Einstein hay cơ học lượng tử đúng.

Tiến sĩ Clauser kể: năm 1969, khi tốt nghiệp tiến sĩ thực nghiệm về lĩnh vực điện tử ở Đại học Colombia, ông đã "thực sự vật lộn để cố gắng hiểu cơ học lượng tử, nhưng đã thất bại. Không thể hiểu được cái mình không hiểu!". Sau đó, tình cờ ông đọc được công trình của Bell và cảm thấy mình có thể làm được thí nghiệm đó.

Sau đó Clauser chuyển về làm việc ở Đại học California, Berkeley, nơi ông cùng đồng nghiệp tự xây dựng hệ thống thí nghiệm từ các thiết bị cũ không dùng nữa của khoa vật lý. Năm 1972, ông và nghiên cứu sinh Stuart Freedman (qua đời năm 2012) tiến hành các thí nghiệm do Bell đề xuất. 

Họ sử dụng các chùm ánh sáng (các hạt của ánh sáng là photon) có các phân cực ngược nhau để tiến hành thí nghiệm. Nếu hai photon có quan hệ liên đới thì phân cực của cả tổ hợp thống nhất sẽ không thay đổi. 

Trong quá trình di chuyển (lan truyền ánh sáng), cả hai photon có thể bị thay đổi sự phân cực, nhưng tổng số của chúng không đổi nếu quy luật vướng mắc lượng tử là đúng. Kết quả thí nghiệm của Clauser cho thấy quả thực mối quan hệ là có thực.

Trong một cuộc phỏng vấn ở Viện Vật lý Mỹ năm 2002, Clauser thú nhận bản thân ông lúc bấy giờ cũng tin là Einstein đúng. Ông nói: "Rõ ràng kết quả chúng tôi thu được là "sai"... Đây là kết quả, nhưng nó trái ngược với điều tôi tin là đúng. Tôi đã hy vọng chúng tôi có thể lật đổ cơ học lượng tử. Mọi người khác đều nghĩ: John, cậu đúng là đồ đần".

Về phần Aspect, năm 1970, ông đang theo đuổi chương trình nghiên cứu sinh và làm nghĩa vụ dạy học 3 năm ở Cameroon. Lúc rảnh rỗi, ông tìm hiểu cơ học lượng tử, để rồi khi trở về Pháp, bắt tay tiến hành nghiên cứu thực nghiệm do John Bell đề xuất. 

Giống như Clauser, lúc đầu Aspect tin rằng các kết quả thực nghiệm của ông sẽ khẳng định Einstein đúng và cơ học lượng tử sai. Nhưng thay vì vậy, nó đã bổ sung và khắc phục một số sơ sót trong thí nghiệm của Clauser, qua đó chứng minh chắc chắn rằng hiệu ứng liên đới lượng tử là có thực. Tuy nhiên, cũng như Clauser, Aspect chỉ ra còn một số lỗ hổng cần khắc phục trong các thí nghiệm của ông.

Đấy chính là việc của giáo sư Zeilinger cùng nhóm nghiên cứu ở Đại học Vienna (Áo). Năm 1998, Zeilinger đưa thêm các quá trình ngẫu nhiên vào thực nghiệm và thu được kết quả hết sức tổng quát.

Thoạt tiên các kết quả chứng minh hiệu ứng vướng mắc lượng tử hồi những năm 1970 không được chú ý lắm, vì lúc bấy giờ ứng dụng thực tiễn của cơ học lượng tử đã đạt những thành tựu ngoài sức tưởng tượng. Từ chế tạo bom và lò phản ứng nguyên tử đến laser và transistor, các phát minh mới trên cơ sở cơ học lượng tử đã và đang làm thay đổi thế giới từng ngày.

Tuy nhiên, đầu những năm 1990, khi vướng mắc lượng tử được công nhận là tính chất cơ bản của cơ học lượng tử và những ý tưởng ứng dụng ban đầu vào các lĩnh vực mới như máy tính, thông tin, tiền, Internet lượng tử... ra đời, hiệu ứng này bắt đầu thu hút nhiều sự quan tâm đặc biệt.

Một ví dụ ứng dụng trong viễn thông lượng tử là sử dụng một cặp hạt quan hệ liên đới để truyền thông tin mã hóa một cách an toàn. Bất cứ sự can thiệp từ bên ngoài nào, như để nghe lén chẳng hạn, sẽ phá hủy trạng thái quan hệ liên đới và báo động cho người sử dụng. 

Các ứng dụng máy tính lượng tử nếu thành công sẽ mở ra cuộc cách mạng khoa học và công nghệ khó thể tưởng tượng. Chẳng hạn như vài năm trở lại đây, các hệ thống mô phỏng lượng tử (quantum simulator) đã cho những kết quả tính toán nhanh gấp cả tỉ lần so với các siêu máy tính hiện đại nhất hiện có. ■