Rối lượng tử không cho phép truyền tin nhanh hơn ánh sáng. Hai hạt rối với nhau cho ra những kết quả đo liên quan chặt chẽ, dù đặt cách nhau rất xa, nhưng kết quả ở mỗi bên, nhìn riêng, hoàn toàn ngẫu nhiên. Người đo bên này không thể chọn kết quả của mình để gửi một thông điệp sang bên kia. Muốn biết hai bên trùng khớp ra sao, họ vẫn phải gọi điện hay gửi tin cho nhau bằng cách thông thường.
Chào bạn, đây là Nhà Vật Lý. Rối lượng tử thường được giới thiệu như một phép màu: hai hạt liên lạc với nhau tức thì xuyên vũ trụ. Thực tế còn thú vị hơn phép màu, nhưng cũng có giới hạn rõ ràng. Tập này mình kể nó bắt đầu từ một mối băn khoăn của Einstein và kết thúc trong những phòng thí nghiệm đoạt giải Nobel.
Đôi găng tay: hình ảnh dễ hiểu nhưng chưa đủ
Giả sử bạn bỏ một chiếc găng tay trái và một chiếc găng tay phải vào hai hộp giống nhau, xáo lên, gửi một hộp ra Hà Nội, một hộp vào Cà Mau. Người ở Hà Nội mở hộp thấy găng trái, lập tức biết ở Cà Mau là găng phải.
Đó là tương quan thông thường, chẳng có gì lạ. Thoạt nhìn, rối lượng tử giống hệt như vậy: đo một hạt, biết ngay kết quả hạt kia.
Albert Einstein cùng hai đồng nghiệp năm một nghìn chín trăm ba mươi lăm đã lập luận rằng nếu như vậy thì cơ học lượng tử chưa đầy đủ: hai hạt chắc phải mang sẵn đáp án từ trước như hai chiếc găng, chỉ là lý thuyết chưa mô tả được. Einstein không chấp nhận ý rằng đo bên này lại có ảnh hưởng tức thì tới bên kia, và có lần gọi nó là tác động ma quái từ xa.
Câu hỏi đặt ra: rối lượng tử là chuyện đôi găng tay mang đáp án sẵn, hay là thứ gì đó khác hẳn? Trong nhiều năm, đây có vẻ là câu hỏi triết học, không kiểm được bằng thí nghiệm.
John Bell biến câu hỏi triết học thành thí nghiệm
Năm một nghìn chín trăm sáu mươi tư, nhà vật lý John Bell chỉ ra một điều sắc sảo. Nếu hai hạt mang sẵn đáp án như đôi găng tay, cho mọi kiểu đo có thể, thì khi đo theo nhiều hướng khác nhau và so sánh thống kê, mức độ trùng khớp không thể vượt quá một giới hạn nhất định.
Còn cơ học lượng tử dự đoán rằng với các hạt rối, mức trùng khớp ở một số cách đo sẽ vượt qua giới hạn đó. Hai cách hiểu cho ra hai con số khác nhau.
Từ những năm bảy mươi trở đi, nhiều nhóm thí nghiệm đã đo, với các cặp phô tôn ánh sáng và về sau với nhiều loại hạt khác, càng ngày càng loại bỏ những kẽ hở có thể làm sai kết quả. Kết quả nghiêng hẳn về phía cơ học lượng tử: giới hạn của kiểu đôi găng tay bị vượt qua.
Năm hai nghìn không trăm hai mươi hai, giải Nobel Vật lý được trao cho ba nhà khoa học Alain Aspect, John Clauser và Anton Zeilinger vì những thí nghiệm này.
Vậy vì sao vẫn không gửi được tin nhanh hơn ánh sáng?
Hãy hình dung Lan ở Hà Nội và Nam ở Cà Mau, mỗi người giữ một hạt của cặp rối. Lan đo hạt của mình, kết quả ra ngẫu nhiên, mặt ngửa hay mặt sấp với khả năng như nhau. Lan không có cách nào ép hạt ra mặt ngửa để báo hiệu một điều gì đó.
Nam đo hạt của mình, cũng thấy một chuỗi kết quả ngẫu nhiên, giống hệt như tung đồng xu. Nhìn riêng chuỗi kết quả của Nam, không có dấu hiệu nào cho biết Lan đã đo hay chưa, đo theo hướng nào.
Chỉ khi hai người gặp nhau hoặc gửi danh sách kết quả cho nhau qua điện thoại, internet, tức là qua những kênh không nhanh hơn ánh sáng, họ mới thấy hai chuỗi ngẫu nhiên ấy khớp với nhau một cách kỳ lạ.
Vật lý đã chứng minh được rằng điều này đúng chung: rối lượng tử tạo ra tương quan, nhưng không cho phép gửi thông tin. Vì vậy nó không mâu thuẫn với thuyết tương đối, và không có điện thoại lượng tử nào gọi xuyên dải ngân hà tức thì cả.
Rối lượng tử được dùng vào việc gì?
Dù không gửi tin nhanh hơn ánh sáng, rối lượng tử vẫn rất hữu ích. Một ứng dụng là phân phối khoá mã an toàn: hai bên dùng các hạt rối để tạo ra một chuỗi khoá bí mật chung, và nếu có kẻ nghe lén chen vào, chính vật lý lượng tử sẽ để lại dấu vết, hai bên phát hiện ra.
Máy tính lượng tử cũng dựa nhiều vào trạng thái rối giữa các bit lượng tử. Với một số loại bài toán đặc biệt, chúng hứa hẹn làm nhanh hơn máy tính thường rất nhiều. Nhưng các máy hiện nay vẫn nhỏ, dễ nhiễu, và còn nhiều thách thức kỹ thuật trước khi dùng rộng rãi.
Đã có thí nghiệm đưa phô tôn rối đi xa hàng nghìn cây số qua vệ tinh.
Khi đọc quảng cáo sản phẩm có chữ lượng tử, như vòng đeo tay lượng tử hay nước lượng tử, hãy nhớ rằng những ứng dụng thật của rối lượng tử đòi hỏi phòng thí nghiệm cực kỳ tinh vi, không nằm trong chiếc vòng đeo tay.
Thứ kỳ lạ mà ta học cách chấp nhận
Rối lượng tử buộc các nhà vật lý từ bỏ một trong hai trực giác rất tự nhiên: hoặc là các hạt mang sẵn mọi đáp án trước khi đo, hoặc là không có gì liên quan giữa những nơi cách xa nhau. Thí nghiệm cho thấy không thể giữ cả hai cùng lúc.
Các nhà vật lý vẫn còn tranh luận nên diễn giải điều này thế nào. Nhưng về con số, cơ học lượng tử dự đoán chính xác những gì đo được, và không phá vỡ giới hạn tốc độ ánh sáng của việc truyền tin.
Đây là một ví dụ đẹp cho cách khoa học làm việc: một câu hỏi tưởng như chỉ để cãi nhau bên bàn trà, sau vài thập kỷ đã có người tìm ra cách hỏi thẳng tự nhiên, và tự nhiên đã trả lời.
Câu hỏi để bạn nghĩ tiếp: vì sao tốc độ ánh sáng lại là một giới hạn tối đa? Nếu cứ đẩy một vật mãi mãi, vì sao nó không thể vượt qua con số đó?
Câu hỏi thường gặp
Rối lượng tử là gì?
Rối lượng tử là trạng thái mà hai hay nhiều hạt được mô tả như một tổng thể, kết quả đo trên chúng liên quan với nhau chặt chẽ hơn bất kỳ cách giải thích nào dựa trên đáp án có sẵn, dù các hạt ở cách xa nhau.
Bất đẳng thức Bell là gì?
Đó là một giới hạn toán học do John Bell đưa ra cho mức độ trùng khớp giữa các kết quả đo, nếu các hạt mang sẵn đáp án và không ảnh hưởng nhau từ xa. Các thí nghiệm cho thấy hạt rối vượt qua giới hạn này.
Dịch chuyển tức thời lượng tử có phải là dịch chuyển đồ vật không?
Không. Dịch chuyển lượng tử là chuyển trạng thái lượng tử của một hạt sang một hạt khác ở xa, dùng rối lượng tử cộng với một kênh liên lạc thông thường. Không có vật chất nào bay đi và cũng không nhanh hơn ánh sáng.
Máy tính lượng tử có thay thế máy tính thường không?
Theo hiểu biết hiện nay, máy tính lượng tử phù hợp với một số loại bài toán đặc biệt chứ không thay thế máy tính thường trong việc hằng ngày. Các máy hiện có vẫn đang trong giai đoạn phát triển.
Vì sao Einstein không tin rối lượng tử?
Einstein tin rằng thực tại phải có những tính chất xác định độc lập với việc đo, và những gì xảy ra ở một nơi không thể ảnh hưởng tức thì tới nơi xa. Ông coi rối lượng tử là dấu hiệu lý thuyết còn thiếu sót; các thí nghiệm sau này cho thấy thế giới không vận hành theo đúng trực giác đó.
