Viên gạch đầu của một viễn mơ?

Phóng to

Vì sao công trình nghiên cứu của hai ông lại được vinh danh? Và liệu các nghiên cứu đó có được ứng dụng trong đời sống hay không? Trước khi đưa ra câu trả lời, ta hãy cùng thử xem xét những bí ẩn của thế giới lượng tử (1).

Con mèo sống hay chết?

Cơ học lượng tử - môn khoa học mô tả thế giới ở kích thước rất nhỏ - là một trong hai trụ cột của vật lý thế kỷ 20. Nhưng từ khi được khám phá, đến nay đã gần 100 năm mà con người vẫn chưa thật sự hiểu rõ về cơ học lượng tử. Các nhà vật lý vẫn đang nỗ lực để giải mã những bí ẩn hoặc nghịch lý của nó.

Sở dĩ gọi là bí ẩn hay nghịch lý vì những điều này thường trái với nhận thức và trải nghiệm thông thường của con người trong thế giới vĩ mô, tức trong cuộc sống thường ngày. Chẳng hạn, ai có thể nghĩ rằng một người lại có thể phân thân để vừa ở cơ quan lại vừa ở nhà cùng lúc, hay ai đó lại có thể có phép biến - hiện như trong cổ tích? Hoặc sự chồng chập trạng thái, như một người có thể đồng thời vừa sống vừa chết được hay không?

Trải nghiệm của đời sống hằng ngày nói rằng không. Đời nào lại có những trò phù phép đó trong thế kỷ 21 này. Đây là khoa học chứ không phải ma thuật!

Nhưng cơ học lượng tử lại nói rằng có, một cách chặt chẽ, khoa học, không thể bác bỏ.

Erwin Schrödinger, một trong những cha đẻ của cơ học lượng tử, giải Nobel vật lý năm 1933, đã trình bày một trong những nghịch lý đó bằng một thí nghiệm tưởng tượng nổi tiếng như sau:

Giả sử ta nhốt một con mèo vào trong một buồng kín. Trong buồng này có để một bình khí độc và một nguyên tử chất phóng xạ. Nếu nguyên tử này phóng xạ, bình khí độc sẽ vỡ và con mèo sẽ chết. Còn không, con mèo vẫn sống như thường.

Việc phóng xạ tuân theo các định luật của cơ học lượng tử nên việc nguyên tử này có phát xạ hay không mang tính xác suất. Ta không thể tiên đoán chính xác vào một thời điểm, nguyên tử có phát xạ hay không. Nói cách khác, nguyên tử này ở trạng thái vừa phát xạ vừa không. Câu hỏi đặt ra là: Tương ứng với trạng thái vừa có vừa không này, con mèo sống hay chết?

Rõ ràng, theo cơ học lượng tử, con mèo vừa sống vừa chết, hay con mèo tồn tại trong sự chồng chập của cả hai trạng thái sống và chết!

Giả sử bạn chọn lượng chất phóng xạ đủ lớn, để theo tính toán sao cho sau một giờ, xác suất có một nguyên tử phóng xạ là 50%. Bạn sẽ kiên nhẫn chờ hết một giờ và ghé mắt nhìn xem con mèo sống hay chết. Nếu như bạn thấy con mèo chết thì sao?

Rõ ràng trước đó, theo cơ học lượng tử, thì con mèo ở trạng thái vừa sống vừa chết. Vậy mà chỉ vì bạn nhìn vào, con mèo trở thành chết hẳn. Vậy ai đã giết con mèo? Chính bạn, đúng hơn là chính cái nhìn của bạn đã giết chết con mèo!

Nói theo ngôn ngữ của cơ học lượng tử thì chính sự tương tác với môi trường bên ngoài đã làm cho sự chồng chập trạng thái của các hệ lượng tử co sập về một giá trị duy nhất. Trong trường hợp này là con mèo sống hoặc chết. Nếu không có sự tương tác này thì hệ ở trong hai trạng thái này với xác suất bằng nhau, tức con mèo vừa sống vừa chết. Quả là một nghịch lý!

Phóng to

Nghiên cứu các hệ lượng tử

Việc cái nhìn của bạn đã giết chết con mèo trong thí nghiệm trên cho thấy bản chất mong manh của các hệ lượng tử. Sự chồng chập trạng thái trong các hệ lượng tử sẽ bị phá hủy khi có tác động từ bên ngoài.

Muốn nghiên cứu thì phải tiến hành đo đạc, về mặt bản chất là tác động lên hệ và ghi những thông tin phản hồi. Nhưng với một hệ nhỏ bé như vậy, bất cứ tác động nào từ máy đo bên ngoài đều làm nhiễu loạn chúng. Hệ nghiên cứu không còn là chính nó nữa.

Ngoài ra, việc cô lập một nguyên tử để nghiên cứu là việc rất khó khăn. Bất cứ nơi nào trên Trái đất này, kể cả nơi có chân không cao nhất trong phòng thí nghiệm cũng đầy rẫy các nguyên tử phân tử khí nhảy múa không ngừng. Chúng tác dụng với hệ nghiên cứu, thường là các hạt có kích thước từ nguyên tử trở xuống, một cách hỗn loạn không thể kiểm soát được, làm chúng mất hết tính chất lượng tử của mình.

Chính vì thế, việc đo đạc và điều khiển các hệ lượng tử là một thách thức rất lớn của khoa học.

Đến đây thì câu hỏi vì sao công trình của Serge Haroche và David J. Wineland lại được vinh danh đã rõ ràng. Hai ông độc lập với nhau trong việc phát triển các phương pháp đo đạc và kiểm soát các hệ lượng tử, theo hai chiều trái ngược nhau. Tuy trái ngược nhau nhưng lại gắn bó chặt chẽ như hai mặt của một đồng xu.

Để thực hiện việc đo đạc và kiểm soát này, trong thí nghiệm của David Wineland, các ion hoặc nguyên tử tích điện bị bẫy trong điện trường, ở một môi trường chân không cực cao để tránh các tác động từ môi trường. Sau đó, một chùm laser sẽ được sử dụng để triệt tiêu tối đa dao động của ion, đưa nó về trạng thái có mức năng lượng thấp nhất (2), tạm gọi là mức 0. Mức năng lượng kế tiếp trên nó sẽ được gọi là mức 1.

Nếu một hạt ánh sáng có mức năng lượng nằm giữa 0 và 1 được truyền qua và tương tác với ion này thì ion sẽ thu thêm năng lượng của hạt ánh sáng và chuyển lên trạng thái lơ lửng giữa 0 và 1. Nói cách khác, nó tồn tại đồng thời ở cả hai trạng thái 0 và 1, giống như con mèo vừa sống vừa chết trong ví dụ đã nêu trên.

Sau khi tương tác với các ion, hạt ánh sáng này sẽ bị thay đổi tính chất và thoát ra ngoài. Việc nghiên cứu tính chất của hạt trước và sau tương tác sẽ cho phép biết được tính chất của ion mà nó đã tương tác.

Ngược với David Wineland, Serge Haroche lại tìm cách giam một hạt ánh sáng trong một hốc nhỏ được tạo bởi hai tấm gương đặc biệt làm bằng vật liệu siêu dẫn. Đây quả là hai tấm gương bóng nhất thế giới, khi một hạt ánh sáng bị nhốt trong đó có thể sống được, tức bị phản xạ qua lại giữa hai mặt gương, trong khoảng thời gian hơn 1/10 giây. Khoảng thời gian này quả thật ngắn ngủi với trải nghiệm hằng ngày, nhưng dài kỷ lục đối với việc nhốt hạt ánh sáng. Với tốc độ 300.000km/giây thì trong 1/10 giây đó, hạt ánh sáng đủ để di chuyển một quãng đường 40.000km, ứng với một vòng xung quanh Trái đất.

Sau khi đã nhốt được hạt ánh sáng vào hốc gương, một nguyên tử Rydberg sẽ được truyền qua hốc. Cũng như trong thí nghiệm của David Wineland, sự tương tác giữa nguyên tử và hạt ánh sáng sẽ làm thay đổi tính chất của nguyên tử Rydberg. Việc đo đạc tính chất của nguyên tử Rydberg khi đi ra khỏi hốc gương sẽ cho biết tính chất của hạt ánh sáng ở trong hốc.

Một viễn mơ

Những nghiên cứu của Serge Haroche và David J. Wineland được nhiều nhà khoa học coi là viên gạch đầu tiên của một viễn mơ: máy tính lượng tử.

Nếu trong máy tính thông thường các bit thông tin có hai giá trị 0 và 1 riêng biệt, thì trong máy tính lượng tử các bit lượng tử - gọi là qubit (3) - có thể có các trị 0 và 1 đồng thời, tương ứng với sự chồng chập các trạng thái khác nhau của hệ lượng tử. Do đó, với một hệ lượng tử có hai trạng thái 0 và 1 như ion trong thí nghiệm của David J. Wineland, các qubit này có thể có bốn giá trị khác nhau: 00, 01, 10 và 11. Hơn nữa, cứ mỗi lần thêm một qubit nữa vào trong hệ, số lượng các giá trị này sẽ tăng gấp đôi.

Việc điều khiển các hệ lượng tử, mà David J. Wineland là người đầu tiên thành công với việc điều khiển 2 qubit, về mặt lý thuyết cho phép tạo ra các máy tính với nguyên tắc hoạt động hoàn toàn mới, dựa trên cơ sở của cơ học lượng tử, gọi là máy tính lượng tử. Sự ra đời của máy tính lượng tử, có thể trong thế kỷ 21 này, sẽ thay đổi một cách to lớn đời sống của con người, như sự ra đời của máy tính thường trong thế kỷ 20 vậy.

Tuy nhiên, việc này không dễ dàng chút nào. Lý do là giả sử bằng cách nào đó ta có được một hệ lượng tử có thể điều khiển được, thì thông tin từ trong hệ này cần phải được truyền ra ngoài theo một cách nào đó. Tức là phải có một sự tương tác hệ với môi trường. Mà như đã thấy trong ví dụ về con mèo của Schrödinger, sự tương tác này sẽ phá hủy các tính chất lượng tử của hệ, tức phá hủy chiếc máy.

Trong khi việc xây dựng máy tính lượng tử còn là một viễn mơ và đòi hỏi nhiều nghiên cứu tiếp theo thì một trong những ứng dụng khả dĩ khác của công trình này là đồng hồ quang học siêu chính xác. Hiện nay, đồng hồ nguyên tử Cesium được coi là đồng hồ chính xác nhất, và được dùng để chuẩn hóa thời gian (4). Nhưng nó vận hành ở dải sóng vi ba, trong khi các ion của David J. Wineland lại vận hành trong vùng của ánh sáng thường nên có độ chính xác lớn hơn so với đồng hồ nguyên tử Cesium hàng trăm lần.

Nếu dùng các ion này làm đồng hồ chuẩn thì ta sẽ có các đồng hồ quang học có độ chính xác lên đến một phần của 10 lũy thừa 17. Để hình dung độ chính xác của loại đồng hồ này, ta giả sử nó tồn tại ngay sau vụ nổ lớn Big Bang khi hình thành vũ trụ, khoảng 14 tỉ năm về trước, thì đến nay sai số của nó chỉ cỡ 5 giây!

Với sự chính xác này, hàng loạt hiện tượng tinh tế và kỳ thú của tự nhiên, như sự thay đổi dòng chảy của thời gian hay sự thay đổi tế vi của trọng lực, có thể được nghiên cứu và mở ra nhiều chân trời khám phá mới, đầy kỳ thú trong khoa học.

___________

(1) Từ phần này trở đi, các hình vẽ và một phần lớn thông tin được trích ra hoặc lược dịch từ tài liệu dành cho đại chúng của Ủy ban Nobel 2012.
(2) Kỹ thuật này cho phép làm lạnh các vi hạt đến một nhiệt độ siêu thấp, thường là cỡ một vài phần tỉ độ trên độ không tuyệt đối, và đã mang lại giải Nobel vật lý cho Eric A. Cornell, Wolfgang Ketterle, Carl E. Wieman năm 2001.
(3) Quantum bit, gọi tắt là qubit.
(4) Từ năm 1967, đồng hồ nguyên tử Cesium được quốc tế sử dụng làm đồng hồ chuẩn thời gian với định nghĩa: 1 giây là khoảng thời gian của 9192631770 chu kỳ dao động của bức xạ phát ra khi điện tử chuyển đổi giữa hai mức năng lượng trong nguyên tử Cesium 133.