Thời kì phục hưng lượng tử

Các nhà vật lí ngày nay thường xuyên có thể khai thác những tính chất khác thường của cơ học lượng tử để truyền tải, mã hóa và cả xử lí thông tin. Nhưng như Markus Aspelmeyer và Anton Zeilinger mô tả, những tiến bộ công nghệ của khoa học thông tin lượng tử ngày nay đang cho phép các nhà nghiên cứu chú tâm trở lại vào những nan đề cơ bản phát sinh bởi thuyết lượng tử.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Thời kì phục hưng lượng tử Thời kì phục hưng lượng tử Các nhà vật lí ngày nay thường xuyên có thể khai thác những tính chất khác thườngcủa cơ học lượng tử để truyền tải, mã hóa và cả xử lí thông tin. Nhưng như MarkusAspelmeyer và Anton Zeilinger mô tả, những tiến bộ công nghệ của khoa học thông tin lượngtử ngày nay đang cho phép các nhà nghiên cứu chú tâm trở lại vào những nan đề cơ bản phátsinh bởi thuyết lượng tử. Trí tò mò thuần túy đã từng là động lực sau nhiều thí nghiệm đột phá trong vật lí học.Điều này không gì minh họa tốt hơn bằng trong cơ học lượng tử, thoạt đầu là nền vật lí củanhững vật cực nhỏ. Kể từ khi khai sinh ra nó vào thập niên 1920 và 1930, các nhà nghiên cứuđã muốn quan sát những tính chất phản trực giác của cơ học lượng tử một cách trực tiếp trongphòng thí nghiệm. Tuy nhiên, vì kĩ thuật thực nghiệm không được phát triển đủ vào lúc đó,nên những người như Niels Bohr, AlbertEinstein, Werner Heisenberg và ErwinSchrödinger thay vì thế đã dựa trênnhững thí nghiệm tưởng tượng để nghiêncứu nền vật lí lượng tử của từng hạt một,chủ yếu là electron và photon. Vào thập niên 1970, công nghệ đãbắt kịp, tạo ra một “cơn sốt vàng” nhữngthí nghiệm cơ bản tiếp tục cho đến thậpniên 1990. Những thí nghiệm này xácnhận thuyết lượng tử với sự thành côngđáng chú ý, và thách thức nhiều giảthuyết được nhiều người chấp nhận về thếgiới vật chất. Trong số những giả thuyếtnày là “thuyết duy thực” (đại khái nó phátbiểu rằng kết quả của các phép đo hé lộcác đặc điểm của thế giới thì tồn tại độclập với phép đo), “thuyết cục bộ” (rằngkết quả của các phép đo ở đây và lúc nàykhông phụ thuộc vào một số hoạt động cóthể tiến hành ở một nơi rất xa đúng vào lúc này), “thuyết phi ngữ cảnh” (khẳng định rằng kếtquả của các phép đo thì độc lập với ngữ cảnh của thiết bị đo). 1 Nhưng một bất ngờ lớn đã chờ đón những ai đang nghiên cứu trong lĩnh vực này. Cácthí nghiệm lượng tử cơ bản làm phát sinh một lĩnh vực hoàn toàn mới nhờ đó các nhà nghiêncứu áp dụng các hiện tượng như chồng chất, sự rối và tính ngẫu nhiên để mã hóa, truyền tải vàxử lí thông tin trong khuôn khổ mới lạ triệt để. “Khoa học thông tin lượng tử” ngày nay là mộtlĩnh vực chuyên môn đang bùng nổ mang lại những ứng dụng nghe có vẻ vị lai như máy tínhlượng tử, mật mã lượng tử và truyền thông lượng tử vào trong tầm với. Hơn nữa, những tiếnbộ công nghệ làm cơ sở cho nó đã mang lại cho các nhà nghiên cứu sự điều khiển chưa từngcó tiền lệ trên từng hệ lượng tử một. Quyền điều khiển đó hiện đang khuấy động một sự phụchưng trong trí tò mò của chúng ta về thế giới lượng tử, bởi nó cho phép các nhà vật lí lưu tâmđến những khía cạnh cơ bản mới của cơ học lượng tử. Hóa ra, điều này có thể mở ra một xa lộmới trong nền khoa học thông tin lượng tử.Phản trực giác Cả những thí nghiệm cơ lượng tử cơ bản và khoa học thông tin lượng tử đều nợ nhiềuvào sự ra đời của laser vào thập niên 1960, nó đã mang lại những phương pháp mới và hi ệuquả cao để chuẩn bị từng hệ lượng tử nhằm kiểm tra các tiên đoán của thuyết lượng tử. Thậtvậy, sự phát triển ban đầu của các thí nghiệm vật lí lượng tử cơ bản đã đi song hành với mộtsố nghiên cứu thực nghiệm đầu tiên về quang học lượng tử. Một trong những bước nhảy thực nghiệm chủ yếu vào lúc đó là khả năng tạo ra các cặpphoton “rối”. Vào năm 1935, Schrödinger đã đặt ra thuật ngữ “sự rối” để chỉ các cặp hạt đượcmô tả duy nhất bởi tính chất chung của chúng thay cho tính chất riêng rẽ của chúng – nó đingược lại với kinh nghiệm của chúng ta về thế giới vĩ mô. Trước đó không lâu, Einstein, BorisPodolsky và Nathan Rosen (gọi tên chung là EPR) đã sử dụng một thí nghiệm tưởng tượngbiện hộ rằng nếu sự rối tồn tại, thì mô tả cơ lượng tử đó của thực thể vật lí phải không hoànchỉnh. Einstein không thích quan niệm rằng trạng thái lượng tử của một hạt bị rối có thể thayđổi tức thời khi một phép đo được tiến hành trên hạt kia. Gọi nó là tác dụng “ma quỷ” từ xa,ông hi vọng về một lí thuyết vật lí hoàn chỉnh hơn của cái rất nhỏ không biểu hiện những đặcđiểm kì lạ như thế. Điều này nằm tại tâm điểm của một cuộ tranh luận nổi tiếng giữa Einstein và Bohrxem nền vật lí mô tả tự nhiện “là nó thực sự như thế”, như quan điểm của Einstein, hay nó môtả “cái chúng ta có thể nói về tự nhiên”, như Bohr tin tưởng. Mãi cho đến thập niên 1960 thìnhững câu hỏi này thuần túy mang tính triết học trong tự nhiên. Nhưng vào năm 1964, nhà vậtlí Bắc Ireland, John Bell, nhận ra rằng các thí nghiệm về những hạt rối có thể cung cấp mộ tphép kiểm tra xem có một mô tả nào hoàn chỉnh hơn về thế giới ngoài thuyết lượng tử ra haykhông. EPR tin rằng một lí thuyết như thế là tồn tại. 2 Bell dựa trên luận chứng của ông về hai giả thuyết do EPR đưa ra trái ngược hẳn bởitính chất của các hạt rối. Thứ nhất là thuyết cục bộ, phát biểu rằng kết quả của những phép đotiến hành trên một hạt phải độc lập với mọi thứ đồng thời thực hiện với đối tác rối của nó nằmở khoảng cách xa tùy ý. Thứ hai là thuyết duy thực, phát biểu rằng kết quả của một phép đotrên một trong các hạt phản ánh các tính chất của hạt mang trước đó và độc lập với phép đo.Bell chỉ ra rằng một kết hợp đặc biệt của các phép đo tiến hành trên những cặp hạt được chuẩnbị đồng nhất sẽ tạo ra một giới hạn số (ngày nay gọi là bất đẳng thức Bell) thỏa mãn mọi líthuyết vật lí tuân theo hai giả thuyết này. Tuy nhiên, ông cũng chỉ ra rằng giới hạn này bị viphạm bởi các tiên đoán của vật lí lượng tử cho các cặp hạt bị rối (Physics 1 195).Thí nghiệm trên các cặp rối hay bộ ba photon có thể dùng để kiểm tra quan niệm về hiện thực vật chất. Trong cácthí nghiệm kiểu Bell ban đầu, cả hai photon của một cặp rối có sự phân cực thẳng giống nhau đối với các bộ phâncực song song. Nhưng với các bộ phân cực hướng chếch một góc nhỏ so với nhau, như tr ong hình, thì kết quảtương tự t ...