2018-05-03, 02:30 PM
Đột phá trong vật lý lượng tử
Chuyển thông tin tức thời
Thông tin mã hóa được chuyển tức thời từ nơi này đến nơi khác mà không cần đến một dòng chuyển động nào của các hạt cơ bản. Thí nghiệm chuyển ánh sáng tức thời tại ANU (Đại học Quốc gia Australia) đang gây chấn động thế giới, vì nó có thể mở ra một thời đại thông tin mới. Nhà vật lý Australia gốc Trung Quốc Ping Koy Lam cùng cộng sự tại Đại học Quốc gia Australia ở Canberra (ANU) vừa thực hiện thành công thí nghiệm chuyển thông tin theo nguyên lý hoàn toàn mới dựa trên “tương tác ma quỷ” của các quang tử (photon).
![[Image: ping-koy-lam-1.jpg?w=600]](https://viethungpham.files.wordpress.com/2011/02/ping-koy-lam-1.jpg?w=600)
Đúng vào lúc một chùm laser chứa những dữ liệu thông tin nhất định bị hủy tại một vị trí trong phòng thí nghiệm, thì nhóm của Lam đã tạo ra một chùm laser khác giống hệt như thế tại một vị trí khác cách vị trí ban đầu 1 mét. Mặc dù chùm sáng không hề chuyển động từ điểm này đến điểm kia nhưng vì hai chùm sáng giống hệt nhau nên người quan sát có cảm tưởng rằng, chùm sáng đã được di chuyển tức thời từ điểm này đến điểm kia (giống như trong truyện Tây Du Ký, Tề Thiên Đại Thánh dùng phép biến hình và hiện hình để cùng một lúc biến mất khỏi trần gian và xuất hiện trên thiên đình).
Các nhà khoa học gọi kỹ thuật này là sự “chuyên chở tức thời qua không gian xa cách” (teleportation), một khái niệm xưa nay chỉ có trong truyện thần thoại hoặc khoa học viễn tưởng. Nhưng thí nghiệm của ANU lần đầu tiên đã biến thần thoại thành hiện thực. Vì hai chùm sáng giống hệt nhau, tức là thông tin chứa trong chúng như nhau, nên kết quả thí nghiệm cho thấy: Thông tin đã được chuyển tức thời qua không gian mà không cần đến một dòng chuyển động nào của các hạt cơ bản. Đây là nguyên lý truyền thông tin hoàn toàn mới.
Thật vậy, trong liên mạng computer điện tử và trong sợi cáp quang hiện nay, thông tin hoặc được chuyển qua các mạch điện tử (tức là nhờ dòng chuyển động của electron), hoặc được truyền trong sợi cáp quang (tức là dòng chuyển động của các photon). Hai dạng truyền thông tin này, mặc dù đã rất nhanh, nhưng đều không thể so sánh được với tốc độ truyền tin tức thời trong thí nghiệm của ANU. Nguyên lý truyền tin này có hai ưu điểm vượt trội: tốc độ siêu nhanh và siêu an toàn (rất khó giải mã ngay cả trong trường hợp thông tin bị đánh cắp). Vì thế, thí nghiệm của ANU đang gây nên một chấn động trong giới khoa học, như tiếng chuông báo hiệu một thời đại thông tin mới sắp ra đời.
Thực ra, không phải các nhà khoa học Australia đã khám phá ra một nguyên lý hoàn toàn mới. Họ chỉ khai thác một hiện tượng vật lý đã được biết đến từ lâu, đó là hiện tượng “vướng lượng tử”, hoặc “rối lượng tử” (quantum entanglement), trong đó hai quang tử (photon) được tạo ra cùng lúc có liên hệ rất kỳ lạ với nhau. Thật vậy, nếu hai photon được tạo ra đồng thời và được đặt ở hai vị trí khác nhau, chúng sẽ không tồn tại một cách biệt lập riêng rẽ, mà ngược lại, luôn có mối ràng buộc chặt chẽ với nhau – trạng thái của photon này quyết định trạng thái của photon kia. Nếu ta buộc photon này tuân theo một trạng thái lượng tử nào đó, thì photon kia cũng lập tức có ngay một trạng thái lượng tử tương ứng. Nói cách khác, nếu biết trạng thái của photon này, thì lập tức ta sẽ biết trạng thái của photon kia. Điều đó có nghĩa là, giữa hai photon tồn tại một quan hệ tương tác nào đó. Tương tác này không phải là một trong 4 tương tác đã biết (hấp dẫn, điện từ, hạt nhân yếu, hạt nhân mạnh). Vậy nó là tương tác gì ? Đến nay, vẫn chưa ai đưa ra được một khái niệm chính xác. Albert Einstein từng gọi đó là “tương tác ma quái” (spooky interaction). Tờ Guardian của Anh số ra ngày 18/6/2002 bình luận: “Hiện tượng này còn bí hiểm hơn cả chính sự tồn tại của vũ trụ”. Đa số các nhà vật lý hiện nay “đành” giải thích điều bí hiểm này như một biểu hiện của thế giới lượng tử mà nguyên lý bất định của Heisenberg đã chỉ rõ.
Bạn có thể hình dung ra nguyên lý bất định này trong ví dụ sau: Giả sử, nếu biết lực tác dụng vào quả bóng trong cú sút phạt của Ronaldinho trong trận Brazil – Anh vừa qua ở World Cup, thì cơ học Newton có thể giúp thủ môn Seaman tính chính xác quả bóng đó sẽ bay ra sao và sẽ rơi vào đâu. Đó là vì trong thế giới vĩ mô, quan hệ nhân – quả là chìa khóa giúp giải thích rõ ràng mọi hiện tượng. Nhưng trong thế giới của các “quả bóng vi mô” (thế giới của các hạt hạ nguyên tử) thì quan hệ nhân – quả hoàn toàn sụp đổ. Các hạt cơ bản hoàn toàn bất định. Tính chất này biểu hiện theo nhiều cách khác nhau, một trong những biểu hiện đó chính là hiện tượng “vướng lượng tử”: Một hạt cơ bản có thể cùng một lúc tồn tại ở hai vị trí khác nhau mà giác quan thông thường của chúng ta coi là hai hạt khác nhau.
Những năm gần đây đang dấy lên một làn sóng vật lý đi tìm những biểu hiện bất định của các hạt cơ bản. Năm 1995, một nhóm vật lý ở Colorado đã làm lạnh vật chất xuống tới -273 độ C (gần 0 độ tuyệt đối), trong điều kiện đó các nguyên tử “ứng xử” giống hệt nhau và tạo thành một “đại nguyên tử”. Năm 2001, một nhà vật lý Đan Mạch đã làm chậm ánh sáng đến mức như đứng lại, giữ được nó trong một khoảnh khắc, rồi lại “thả” nó ra để cho nó trở lại chuyển động với tốc độ ánh sáng. Nhưng kỳ quái nhất vẫn là hiện tượng “bất định vị” (nonlocality) của các hạt hạ nguyên tử, tức hiện tượng một hạt có thể xuất hiện cùng một lúc ở hai vị trí khác nhau nói trên. Một bộ óc kỳ lạ như Einstein cũng đành phải mô tả nó như là “tác động ma quỷ từ xa” (ghostly action at a distance), thay vì đưa ra một giải thích theo một công thức toán học nhân – quả.
![[Image: ping-koy-lam.jpeg?w=600]](https://viethungpham.files.wordpress.com/2011/02/ping-koy-lam.jpeg?w=600)
Tiến sĩ Lam nói: “Về lý thuyết, không có gì ngăn trở con người di chuyển tức thời trong không gian, nhưng vào thời điểm hiện nay, đó vẫn là chuyện viễn tưởng. Tuy nhiên trong tương lai không xa, việc vận chuyển tức thời một vật rắn có thể trở thành hiện thực. Tôi dự đoán trong vòng từ 3 đến 5 năm nữa khoa học sẽ có thể vận chuyển tức thời một nguyên tử”.
Các nhà khoa học gọi kỹ thuật này là sự “chuyên chở tức thời qua không gian xa cách” (teleportation), một khái niệm xưa nay chỉ có trong truyện thần thoại hoặc khoa học viễn tưởng. Nhưng thí nghiệm của ANU lần đầu tiên đã biến thần thoại thành hiện thực. Vì hai chùm sáng giống hệt nhau, tức là thông tin chứa trong chúng như nhau, nên kết quả thí nghiệm cho thấy: Thông tin đã được chuyển tức thời qua không gian mà không cần đến một dòng chuyển động nào của các hạt cơ bản. Đây là nguyên lý truyền thông tin hoàn toàn mới.
Thật vậy, trong liên mạng computer điện tử và trong sợi cáp quang hiện nay, thông tin hoặc được chuyển qua các mạch điện tử (tức là nhờ dòng chuyển động của electron), hoặc được truyền trong sợi cáp quang (tức là dòng chuyển động của các photon). Hai dạng truyền thông tin này, mặc dù đã rất nhanh, nhưng đều không thể so sánh được với tốc độ truyền tin tức thời trong thí nghiệm của ANU. Nguyên lý truyền tin này có hai ưu điểm vượt trội: tốc độ siêu nhanh và siêu an toàn (rất khó giải mã ngay cả trong trường hợp thông tin bị đánh cắp). Vì thế, thí nghiệm của ANU đang gây nên một chấn động trong giới khoa học, như tiếng chuông báo hiệu một thời đại thông tin mới sắp ra đời.
Thực ra, không phải các nhà khoa học Australia đã khám phá ra một nguyên lý hoàn toàn mới. Họ chỉ khai thác một hiện tượng vật lý đã được biết đến từ lâu, đó là hiện tượng “vướng lượng tử”, hoặc “rối lượng tử” (quantum entanglement), trong đó hai quang tử (photon) được tạo ra cùng lúc có liên hệ rất kỳ lạ với nhau. Thật vậy, nếu hai photon được tạo ra đồng thời và được đặt ở hai vị trí khác nhau, chúng sẽ không tồn tại một cách biệt lập riêng rẽ, mà ngược lại, luôn có mối ràng buộc chặt chẽ với nhau – trạng thái của photon này quyết định trạng thái của photon kia. Nếu ta buộc photon này tuân theo một trạng thái lượng tử nào đó, thì photon kia cũng lập tức có ngay một trạng thái lượng tử tương ứng. Nói cách khác, nếu biết trạng thái của photon này, thì lập tức ta sẽ biết trạng thái của photon kia. Điều đó có nghĩa là, giữa hai photon tồn tại một quan hệ tương tác nào đó. Tương tác này không phải là một trong 4 tương tác đã biết (hấp dẫn, điện từ, hạt nhân yếu, hạt nhân mạnh). Vậy nó là tương tác gì ? Đến nay, vẫn chưa ai đưa ra được một khái niệm chính xác. Albert Einstein từng gọi đó là “tương tác ma quái” (spooky interaction). Tờ Guardian của Anh số ra ngày 18/6/2002 bình luận: “Hiện tượng này còn bí hiểm hơn cả chính sự tồn tại của vũ trụ”. Đa số các nhà vật lý hiện nay “đành” giải thích điều bí hiểm này như một biểu hiện của thế giới lượng tử mà nguyên lý bất định của Heisenberg đã chỉ rõ.
Bạn có thể hình dung ra nguyên lý bất định này trong ví dụ sau: Giả sử, nếu biết lực tác dụng vào quả bóng trong cú sút phạt của Ronaldinho trong trận Brazil – Anh vừa qua ở World Cup, thì cơ học Newton có thể giúp thủ môn Seaman tính chính xác quả bóng đó sẽ bay ra sao và sẽ rơi vào đâu. Đó là vì trong thế giới vĩ mô, quan hệ nhân – quả là chìa khóa giúp giải thích rõ ràng mọi hiện tượng. Nhưng trong thế giới của các “quả bóng vi mô” (thế giới của các hạt hạ nguyên tử) thì quan hệ nhân – quả hoàn toàn sụp đổ. Các hạt cơ bản hoàn toàn bất định. Tính chất này biểu hiện theo nhiều cách khác nhau, một trong những biểu hiện đó chính là hiện tượng “vướng lượng tử”: Một hạt cơ bản có thể cùng một lúc tồn tại ở hai vị trí khác nhau mà giác quan thông thường của chúng ta coi là hai hạt khác nhau.
Những năm gần đây đang dấy lên một làn sóng vật lý đi tìm những biểu hiện bất định của các hạt cơ bản. Năm 1995, một nhóm vật lý ở Colorado đã làm lạnh vật chất xuống tới -273 độ C (gần 0 độ tuyệt đối), trong điều kiện đó các nguyên tử “ứng xử” giống hệt nhau và tạo thành một “đại nguyên tử”. Năm 2001, một nhà vật lý Đan Mạch đã làm chậm ánh sáng đến mức như đứng lại, giữ được nó trong một khoảnh khắc, rồi lại “thả” nó ra để cho nó trở lại chuyển động với tốc độ ánh sáng. Nhưng kỳ quái nhất vẫn là hiện tượng “bất định vị” (nonlocality) của các hạt hạ nguyên tử, tức hiện tượng một hạt có thể xuất hiện cùng một lúc ở hai vị trí khác nhau nói trên. Một bộ óc kỳ lạ như Einstein cũng đành phải mô tả nó như là “tác động ma quỷ từ xa” (ghostly action at a distance), thay vì đưa ra một giải thích theo một công thức toán học nhân – quả.
![[Image: ping-koy-lam.jpeg?w=600]](https://viethungpham.files.wordpress.com/2011/02/ping-koy-lam.jpeg)
Ping Koy Lam
Nhưng nhờ thái độ chấp nhận “tương tác ma quỷ” như là một biểu hiện của nguyên lý bất định nên các nhà vật lý đã hướng mục tiêu nghiên cứu vào ứng dụng tương tác đó. Người đi tiên phong theo hướng này là giáo sư Athon Zeilinger (Áo). Năm 1997, lần đầu tiên ông đã nêu lên ý kiến cho rằng do tính chất đồng thời tồn tại tại nhiều vị trí khác nhau nên các hạt ánh sáng có thể được “vận chuyển tức thời” qua những khoảng cách lớn trong không gian. Ngay lập tức 40 phòng thí nghiệm trên thế giới đã bắt tay vào nghiên cứu nhằm biến ý tưởng của Zeilinger thành hiện thực. Thí nghiệm của ANU là một trong số đó, và đây là lần đầu tiên thực hiện được việc chuyển thông tin tức thời qua khoảng cách không gian 1 m, trong đó hai chùm sáng laser thực chất chỉ là một, nhưng đồng thời tồn tại ở hai vị trí khác nhau!Tiến sĩ Lam nói: “Về lý thuyết, không có gì ngăn trở con người di chuyển tức thời trong không gian, nhưng vào thời điểm hiện nay, đó vẫn là chuyện viễn tưởng. Tuy nhiên trong tương lai không xa, việc vận chuyển tức thời một vật rắn có thể trở thành hiện thực. Tôi dự đoán trong vòng từ 3 đến 5 năm nữa khoa học sẽ có thể vận chuyển tức thời một nguyên tử”.
Phạm Việt Hưng (từ Sydney)
viethungpham.com
viethungpham.com