Vướng víu lượng tử (Quantum entanglement)

Ví dụ:

Hãy tưởng tượng hai hạt, A và B, bị vướng víu với nhau. Giả sử tính chất ta quan tâm là spin (mô men động lượng nội tại), có thể là “lên” ($|\uparrow\rangle$) hoặc “xuống” ($|\downarrow\rangle$). Nếu hệ hai hạt ở trạng thái vướng víu, ví dụ như trạng thái singlet:

$|\Psi\rangle = \frac{1}{\sqrt{2}}(|\uparrow_A \downarrow_B\rangle – |\downarrow_A \uparrow_B\rangle)$

Trạng thái này cho thấy nếu ta đo spin của hạt A và thấy là “lên”, thì spin của hạt B chắc chắn sẽ là “xuống” và ngược lại. Kết quả này là tức thời và không phụ thuộc vào khoảng cách giữa A và B. Điều này khác biệt hoàn toàn so với trực giác cổ điển của chúng ta. Việc đo spin của hạt A dường như “ảnh hưởng” tức thời đến trạng thái của hạt B, ngay cả khi chúng cách xa nhau hàng năm ánh sáng. Tuy nhiên, điều quan trọng cần lưu ý là vướng víu lượng tử không thể được sử dụng để truyền thông tin nhanh hơn tốc độ ánh sáng.

Ý nghĩa của vướng víu lượng tử

Vướng víu lượng tử không chỉ là một hiện tượng thú vị mà còn mang nhiều ý nghĩa sâu sắc về mặt lý thuyết và ứng dụng:

• Tính phi cục bộ (Non-locality): Vướng víu lượng tử cho thấy sự tương quan giữa các hạt vướng víu không phụ thuộc vào khoảng cách. Điều này dường như mâu thuẫn với nguyên lý cục bộ, cho rằng một vật chỉ có thể bị ảnh hưởng bởi môi trường xung quanh nó. Tính phi cục bộ này là một trong những đặc điểm nổi bật và khó hiểu nhất của cơ học lượng tử.
• Nghịch lý EPR: Einstein, Podolsky và Rosen (EPR) đã sử dụng vướng víu lượng tử để lập luận rằng cơ học lượng tử là một lý thuyết chưa hoàn chỉnh. Họ cho rằng sự tương quan tức thời giữa các hạt vướng víu ngụ ý sự tồn tại của “biến ẩn” mà cơ học lượng tử chưa mô tả được. Tuy nhiên, các thí nghiệm sau này đã bác bỏ lập luận của EPR và ủng hộ tính phi cục bộ của cơ học lượng tử.
• Ứng dụng: Vướng víu lượng tử là nền tảng cho nhiều công nghệ lượng tử đang phát triển, bao gồm:
  • Máy tính lượng tử: Vướng víu cho phép tạo ra các qubit (đơn vị thông tin lượng tử) tương quan, tăng cường sức mạnh tính toán.
  • Truyền thông lượng tử: Vướng víu có thể được sử dụng để truyền thông tin một cách an toàn, dựa trên nguyên lý không thể sao chép trạng thái lượng tử. Một ví dụ điển hình là phân phối khóa lượng tử (QKD).
  • Đo lường lượng tử: Vướng víu cho phép đo lường chính xác hơn các đại lượng vật lý, vượt qua giới hạn của đo lường cổ điển.
  • Cảm biến lượng tử: Vướng víu có thể được sử dụng để tạo ra các cảm biến siêu nhạy, có khả năng phát hiện những thay đổi cực kỳ nhỏ trong môi trường.

Những điểm cần lưu ý:

• Vướng víu lượng tử không cho phép truyền thông tin nhanh hơn ánh sáng. Mặc dù sự tương quan giữa các hạt vướng víu là tức thời, nhưng ta không thể kiểm soát kết quả đo của một hạt để truyền thông tin đến hạt kia.
• Việc đo lường một hạt vướng víu sẽ phá vỡ sự vướng víu. Sau khi đo, hai hạt không còn tương quan với nhau nữa.

Giải thích sâu hơn về tính phi cục bộ:

Tính phi cục bộ của vướng víu lượng tử đã được chứng minh bằng thực nghiệm thông qua các bất đẳng thức Bell. Những bất đẳng thức này đặt ra giới hạn cho sự tương quan giữa các phép đo trên các hạt nếu chúng tuân theo nguyên lý cục bộ và hiện thực. Tuy nhiên, các thí nghiệm đã chỉ ra rằng các hạt vướng víu vi phạm bất đẳng thức Bell, khẳng định tính phi cục bộ và bác bỏ sự tồn tại của các biến ẩn cục bộ. Điều này củng cố thêm tính đúng đắn và kỳ diệu của cơ học lượng tử.

Vướng víu trong nhiều hạt

Vướng víu lượng tử không chỉ giới hạn ở hai hạt. Có thể tạo ra trạng thái vướng víu giữa ba, bốn hoặc nhiều hạt hơn. Những trạng thái vướng víu nhiều hạt này có tiềm năng ứng dụng lớn trong tính toán và truyền thông lượng tử, mở ra khả năng cho các thuật toán và giao thức mạnh mẽ hơn. Ví dụ, trạng thái GHZ (Greenberger-Horne-Zeilinger) là một ví dụ về trạng thái vướng víu ba hạt:

$|\text{GHZ}\rangle = \frac{1}{\sqrt{2}}(|\uparrow_A \uparrow_B \uparrow_C\rangle + |\downarrow_A \downarrow_B \downarrow_C\rangle)$

Trạng thái GHZ thể hiện sự tương quan mạnh mẽ giữa ba hạt, và được sử dụng trong nhiều nghiên cứu về nền tảng của cơ học lượng tử.

Vướng víu và phép đo

Khi thực hiện phép đo trên một hạt vướng víu, trạng thái của hệ bị thay đổi. Quá trình này được gọi là sự sụp đổ hàm sóng. Ví dụ, nếu ta đo spin của hạt A trong trạng thái singlet và thấy là “lên”, thì hàm sóng của hệ sụp đổ về trạng thái $|\uparrow_A \downarrow_B\rangle$. Lúc này, ta biết chắc chắn spin của hạt B là “xuống”. Sự sụp đổ hàm sóng là một quá trình tức thời và là cốt lõi của tính phi cục bộ trong vướng víu lượng tử.

Thách thức trong việc tạo và duy trì vướng víu

Việc tạo ra và duy trì trạng thái vướng víu là một thách thức lớn. Các hạt vướng víu rất dễ bị ảnh hưởng bởi môi trường xung quanh, dẫn đến hiện tượng mất liên kết lượng tử (decoherence). Decoherence làm suy giảm sự tương quan lượng tử giữa các hạt, gây khó khăn cho việc ứng dụng vướng víu trong thực tế. Các nhà khoa học đang nỗ lực tìm cách tạo ra và duy trì trạng thái vướng víu trong thời gian dài hơn và ở nhiệt độ cao hơn để có thể ứng dụng vướng víu lượng tử vào thực tế. Một số hướng nghiên cứu hiện nay bao gồm việc sử dụng các hệ thống vật lý khác nhau như ion bị bẫy, photon, và các mạch siêu dẫn để tạo và bảo vệ vướng víu.

• Nielsen, M. A., & Chuang, I. L. (2010). Quantum computation and quantum information. Cambridge university press.
• Griffiths, D. J. (2005). Introduction to quantum mechanics. Pearson Prentice Hall.
• Sakurai, J. J., & Napolitano, J. (2017). Modern quantum mechanics. Cambridge University Press.
• Bell, J. S. (1964). On the Einstein Podolsky Rosen paradox. Physics Physique Fizika, 1(3), 195.
• Greenberger, D. M., Horne, M. A., & Zeilinger, A. (1989). Going beyond Bell’s theorem. In Bell’s theorem, quantum theory and conceptions of the universe (pp. 69-72). Springer, Dordrecht.

Câu hỏi và Giải đáp

Làm thế nào để tạo ra trạng thái vướng víu lượng tử trong thực nghiệm?

Trả lời: Có nhiều cách để tạo ra trạng thái vướng víu. Một phương pháp phổ biến là sử dụng quá trình phân rã tự phát. Ví dụ, một tinh thể phi tuyến có thể được chiếu xạ bằng laser để tạo ra hai photon vướng víu. Một cách khác là sử dụng các mạch siêu dẫn để tạo ra và thao tác các qubit vướng víu.

Sự khác biệt giữa tương quan cổ điển và vướng víu lượng tử là gì?

Trả lời: Tương quan cổ điển phát sinh từ việc các hệ có chung nguồn gốc hoặc lịch sử. Ví dụ, hai quả bóng cùng màu được lấy ra từ một chiếc hộp. Màu sắc của chúng tương quan, nhưng không có gì “ma quái” ở đây. Vướng víu lượng tử thì khác. Sự tương quan giữa các hạt vướng víu mạnh hơn bất kỳ tương quan cổ điển nào và không thể được giải thích bằng các lý thuyết cổ điển. Nó thể hiện trong việc vi phạm bất đẳng thức Bell.

Mất liên kết lượng tử (decoherence) là gì và nó ảnh hưởng đến vướng víu như thế nào?

Trả lời: Mất liên kết lượng tử là quá trình mà một hệ lượng tử tương tác với môi trường, làm mất đi tính chất lượng tử của nó, bao gồm cả sự vướng víu. Sự tương tác này làm cho trạng thái chồng chập của hệ bị phá vỡ, dẫn đến trạng thái cổ điển. Đây là một thách thức lớn trong việc xây dựng máy tính lượng tử và các công nghệ lượng tử khác.

Ngoài trạng thái singlet, còn có những trạng thái vướng víu nào khác?

Trả lời: Có rất nhiều trạng thái vướng víu khác nhau. Một ví dụ là trạng thái Bell khác: $|\Phi^+\rangle = \frac{1}{\sqrt{2}}(|uparrow_A uparrow_B\rangle + |downarrow_A downarrow_B\rangle)$. Ngoài ra còn có trạng thái GHZ cho ba hạt đã đề cập ở trên, và nhiều trạng thái phức tạp hơn cho nhiều hạt.

Vướng víu lượng tử có ứng dụng gì trong mật mã học?

Trả lời: Vướng víu lượng tử cho phép phân phối khóa lượng tử (QKD). QKD sử dụng các nguyên lý của cơ học lượng tử, đặc biệt là tính bất định và không thể sao chép trạng thái lượng tử, để đảm bảo an toàn cho việc trao đổi khóa mật mã. Nếu một bên thứ ba cố gắng nghe trộm quá trình trao đổi khóa, sự vướng víu sẽ bị phá vỡ, cảnh báo cho người gửi và người nhận.