SOHA NEWS
Chân dung ba nhà khoa học Alain Aspect, John F. Clauser và Anton Zeilinger được chiếu trên hình nền trong buổi lễ công bố giải Nobel vật lý 2022 chiều 4-10 giờ Việt Nam - Ảnh: Reuters
Năm nay Viện hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển đã trao giải Nobel vật lý "cho các thí nghiệm với các photon liên đới lượng tử, thiết lập sự vi phạm các bất đẳng thức Bell và là các công trình tiên phong trong lĩnh vực khoa học thông tin lượng tử".
Giải được trao cho ba nhà khoa học là Alain Aspect (ĐH Paris-Saclay và Trường Bách khoa Palaiseau, Pháp), John F. Clauser (Viện nghiên cứu J. F. Clauser & Assoc., Mỹ) và Anton Zeilinger (ĐH Vienna, Áo).
Ủy ban Nobel vật lý đánh giá cao các công trình nghiên cứu về liên đới lượng tử của ba nhà khoa học, và nhận định đầy lạc quan về một ngành công nghệ mới chuẩn bị xuất hiện trong tương lai gần: công nghệ thông tin lượng tử.
Ngẫu nhiên hay tất nhiên?
Các nhà vật lý thường định nghĩa liên đới lượng tử bằng cách đưa ra sự tương đồng với một cỗ máy ném ra đồng thời hai quả bóng có màu đối nghịch theo hai hướng ngược nhau. Theo đó khi Bob bắt một quả bóng và thấy nó mang màu đen, anh ấy ngay lập tức biết rằng ở đầu bên kia Alice đã bắt được một quả bóng trắng.
Ở giai đoạn sơ khởi của vật lý lượng tử, các nhà khoa học thường tranh cãi liệu màu sắc của hai quả bóng đã được định đoạt trước hay hoàn toàn ngẫu nhiên, cho đến khi một trong hai người bắt bóng quan sát chúng.
Albert Einstein đã có một phát ngôn nổi tiếng "Chúa trời không đổ xúc xắc", hàm ý rằng mỗi quả bóng đều đã định sẵn thông tin về màu sắc bởi các biến số ẩn, và do đó, sự liên đới thông tin tức thời ở một khoảng cách xa là không thể.
Einstein cho rằng lý thuyết cơ học lượng tử thiếu hoàn chỉnh, mà thay vào đó đưa ra giả thuyết về các biến số ẩn cục bộ, trong đó một hạt, với các thuộc tính không thể phát hiện được nhưng vẫn ảnh hưởng đến kết quả của các thí nghiệm, chỉ có thể bị ảnh hưởng bởi môi trường xung quanh nó, và các tương tác qua trung gian của các trường vật chất chỉ có thể xảy ra với tốc độ không lớn hơn tốc độ ánh sáng.
Niels Bohr, một trong những nhà khoa học tiên phong của vật lý lượng tử, hóm hỉnh phản bác: "Einstein, đừng dạy bảo Chúa phải làm gì!".
Các lý thuyết về liên đới trong cơ học lượng tử cho rằng các quả bóng có màu xám, chỉ khi được quan sát, một quả bóng ngẫu nhiên chuyển sang màu trắng và quả còn lại màu đen.
Các đặc tính lượng tử của một hạt là bất định cho đến thời điểm chúng được đo, tuy nhiên, với các hạt có sự liên đới, các phép đo lường thu được các kết quả có tương quan chặt chẽ, ngay cả khi các hạt ở xa nhau. Kết quả không thể đoán trước của một phép đo tức thời ảnh hưởng đến kết quả của phép đo khác, bất kể khoảng cách giữa chúng.
Từ định lý Bell đến thực nghiệm
Năm 1964, nhà vật lý lý thuyết John Steward Bell đã xuất bản một nghiên cứu chứng minh rằng các quan sát từ hiện tượng liên đới lượng tử không tương thích với giả thuyết về những biến số ẩn cục bộ, cũng như giả thuyết về mối quan hệ nhân quả đưa ra bởi Einstein. Kết quả của các nghiên cứu này được gọi là định lý Bell.
Năm 1969, tại Đại học Columbia, John Clauser, cùng với Michael Horne, Abner Shimony và Richard Holt, đã lên ý tưởng về một công trình thí nghiệm kiểm chứng định lý Bell, hay còn gọi là CHSH (Clauser - Horne - Shimony - Holt).
Năm 1972, tại UC Berkeley và Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley, Clauser và nghiên cứu sinh Stuart Freedman là những người đầu tiên chứng minh bằng thực nghiệm rằng hai hạt ở khoảng cách 3m có thể có liên đới lượng tử.
Clauser tiếp tục thực hiện thêm ba thí nghiệm nữa, xác nhận và mở rộng kết quả của CHSH, bước đầu khẳng định sự tồn tại của liên đới lượng tử, và loại bỏ tính khả thi về giả thuyết về biến số ẩn cục bộ của Einstein.
Vào những năm 1970, các thí nghiệm của John Clauser vẫn còn nhiều hạn chế trong kỹ thuật và phương thức tiến hành thực nghiệm, khiến độ tin cậy của kết quả chưa cao, và các kết quả chưa hoàn toàn loại bỏ giả thuyết về biến số ẩn cục bộ.
Alain Aspect, trong những nghiên cứu độc lập, đề xuất các phương án để tối ưu hóa các thực nghiệm, trong đó có sơ đồ thực nghiệm được thiết kế khớp với lý thuyết của John Bell.
Aspect sử dụng nguồn photon cường độ cao để rút ngắn thời gian thí nghiệm, duy trì tính ổn định trong các phép đo. Các phương pháp thực hiện hạn chế ảnh hưởng đến kết quả, đảm bảo độ chính xác cao để quan sát các mối tương quan trong các phép đo, đồng thời chứng minh được những mối tương quan này thực sự là kết quả của hiệu ứng lượng tử xảy ra tức thời.
Các kết quả thực nghiệm của Aspect đã củng cố các kết quả thực nghiệm CHSH của Clauser và đồng nghiệp, thêm một lần chứng minh tính đúng đắn của định lý Bell.
Ứng dụng lý thuyết liên đới lượng tử
Anton Zeilinger, giáo sư vật lý tại ĐH Vienna và nhà khoa học cấp cao tại Viện Quang học lượng tử và thông tin lượng tử IQOQI thuộc Học viện Khoa học Áo, là một trong những nhà khoa học tiên phong nghiên cứu ứng dụng liên đới lượng tử trong hệ thống đa hạt.
Công trình này đã mở ra khả năng thử nghiệm để thực hiện dịch chuyển lượng tử và mã hóa lượng tử siêu dày đặc, trở thành một thành phần quan trọng trong một số ứng dụng, bao gồm cả bộ lặp lượng tử kết nối các máy tính lượng tử trong tương lai với nhau.
Dựa trên định lý Bell, các thí nghiệm xác nhận rằng có thể sử dụng mật mã lượng tử với sự bảo mật vô điều kiện. Một số thí nghiệm gần đây với các trạng thái photon đơn và liên kết ở các không gian cao hơn, cung cấp khả năng giao tiếp lượng tử với nhiều hơn một bit hoặc qubit trên mỗi photon.
