Đến Albert Einstein cũng sai về vật lý lượng tử, một thí nghiệm vừa chứng minh điều đó

Là một nhà khoa học lỗi lạc, nhưng Albert Einstein nổi tiếng khó chịu với những hệ quả của hiện tượng vướng víu lượng tử. Nếu lý thuyết của cơ học lượng tử đúng, một cặp vật thể vướng víu với nhau sẽ có hành vi giống như một hệ thống lượng tử đồng nhất dù chúng có cách xa nhau thế nào đi nữa – điều này có nghĩa khi thay đổi trạng thái của một trong số chúng, cũng đồng thời làm thay đổi trạng thái của vật thể còn lại.

Điều này xảy ra với tốc độ còn nhanh hơn cả khoảng thời gian ánh sáng di chuyển giữa 2 vật thể - nghĩa là nhanh hơn cả ánh sáng. Chính vì vậy, Einstein cho rằng gần như chắc chắn lý thuyết này là sai.

Vì vậy, từ nhiều năm nay, nhiều nhà khoa học đã đề xuất nên những phiên bản khác nhau của cái được gọi là các biến số ẩn – các đặc tính vật lý được chia sẻ giữa những vật thể, có hành vi tương tự như vướng víu lượng tử trong khi vẫn duy trì được thông tin quy định hành vi của từng vật thể - hay được gọi là "hiện thực cục bộ" của vật thể. Do vậy, trong khi hành vi của chúng giống như hiện tượng vướng víu lượng tử, chúng không vi phạm lý thuyết cơ học của Einstein.

Thế nhưng một thí nghiệm mới đây lại có thể chứng tỏ rằng Einstein đã sai về lý thuyết lượng tử. Thí nghiệm này sử dụng các qubit siêu dẫn để chứng minh rằng cơ học lượng tử vi phạm lý thuyết về "hiện thực cục bộ" khi cho phép 2 vật thể có hành vi như một hệ lượng tử duy nhất bất kể khoảng cách giữa chúng xa đến bao nhiêu.

Trên thực tế trước đây đã có nhiều thí nghiệm cho thấy lý thuyết về hiện thực cục bộ không đại diện cho cách Vũ trụ hoạt động. Thế nhưng thí nghiệm nói trên là lần đầu tiên các qubit siêu dẫn này được tách nhau ở khoảng cách đủ xa để đảm bảo ánh sáng không di chuyển đủ nhanh trong khi thực hiện các phép đo đạc.

Để thực hiện được thí nghiệm này, một sợi dây nhôm dài 30m được làm lạnh xuống còn vài mili Kelvin – sát với độ 0 tuyệt đối. Và sau đó thực hiện kiểm tra phương trình Bell: đo lường ngẫu nhiên 2 hạt qubit lượng tử trong cùng một lúc.

Phương trình Bell

Trước đó nhà vật lý học John Bell chỉ ra rằng, các hành vi tương quan nhau giữa 2 vật thể lượng tử bị giới hạn ở một mức độ nào đó. Nhưng lý thuyết cơ học lượng tử lại dự đoán rằng mức độ tương quan nhau còn cao hơn nhiều so với phép tính đó. Do vậy, khi đo lường hành vi của các cặp hạt lượng tử vướng víu nhau, các nhà khoa học có thể xác định được chúng có vi phạm phương trình Bell hay không. Nếu vi phạm, thí nghiệm có thể chứng minh rằng lý thuyết về các biến ẩn – hay hiện thực cục bộ - không giải thích được hành vi của chúng.

So với những đối tượng khác trong thí nghiệm trước đây, thí nghiệm với các qubit lần này cho phép các nhà khoa học quyền kiểm soát cao hơn hẳn, giúp nhanh chóng thực hiện một số lượng lớn các thí nghiệm và thăm dò hành vi của vướng víu lượng tử này.

Trong khi việc chứng minh thí nghiệm vi phạm bất đẳng thức Bell là tương đối đơn giản khi đã được thực hiện nhiều lần trước đây, thách thức nằm ở việc loại bỏ một trong những lỗ hổng của các phép đo này: đó là bạn cần chỉ ra mối tương quan trong các phép đo giữa 2 vật thể không phải do quá trình điều chỉnh.

Thí nghiệm đảo ngược nhận định của Einstein

Vì các phép đo này cần một chút thời gian để thực hiện, điều này có nghĩa là bạn phải tách 2 qubit này ra một khoảng cách đủ xa để các phép đó được hoàn thành trước khi ánh sáng có thể di chuyển giữa chúng. Dựa trên thời gian thực hiện các phép đo, nhóm nghiên cứu đằng sau thí nghiệm của trường ETH Zurich này đã tính toán rằng, 30 mét là đủ.

Đây là một quãng đường ngắn để đi bộ nhưng lại là một thách thức đáng kể về mặt kỹ thuật. Để điều khiển được các hạt lượng tử, cần phải sử dụng đến các photon vi sóng năng lượng thấp – vốn rất dễ biến mất do các nhiễu động của môi trường xung quanh. Vì vậy các hạt photon này phải được duy trì trong môi trường gần độ 0 tuyệt đối (gần nhiệt độ âm 273 độ C) – cũng như các qubit – để tránh nhiễu và đảm bảo độ chính xác của phép đo.

Dù thí nghiệm chỉ diễn ra xung quanh 30 mét dây nhôm chứa các qubit ở 2 đầu, cả một tổ hợp lớn được xây dựng xung quanh nó, bao gồm hệ thống làm lạnh bằng Helium lỏng để đưa sợi dây nhôm này xuống mức sát với độ 0 tuyệt đối. Ngoài ra tổ hợp này còn chứa các thiết bị đo lường để theo dõi hành vi của các hạt qubit được đặt ở 2 đầu dây dẫn.

Toàn bộ hệ thống hoạt động tốt một cách ấn tượng. Nhờ sử dụng các qubit siêu dẫn, các nhà nghiên cứu có thể thực hiện hơn một triệu phép thử riêng lẻ trong 20 phút. Sự tương quan giữa các hạt qubit quả thật vượt xa so với giới hạn trong bất đẳng thức Bell với độ lệch cao đến đáng kính ngạc.

Thí nghiệm này không chỉ chứng minh rõ ràng sai lầm trong lập luận của Einstein về cơ học lượng tử mà còn mở ra cánh cửa mới đối với việc chế tạo máy tính lượng tử quy mô lớn.

Một trong những trở ngại của điều này là mỗi qubit lượng tử lại chiếm một không gian lớn trên con chip, vì vậy, rất khó chế tạo được một con chip với số lượng hàng trăm qubit. Vì vậy, những người khổng lồ như Google và IBM đang lên kế hoạch liên kết nhiều chip lượng tử vào một máy tính.

Tuy nhiên, với hàng chục nghìn qubit, sẽ rất khó để đặt chúng vào chung một hệ thống làm lạnh. Điều này có nghĩa là sẽ phải xây dựng các hệ thống làm lạnh được liên kết với nhau cho một số lượng lớn các qubit lượng tử này – một hệ thống giống như được trình diễn trong thí nghiệm trên. Khi thí nghiệm trên chứng minh rằng, các qubit lượng tử sẽ có hành vi tương quan với nhau bất kể khoảng cách như thế nào, điều đó sẽ cho phép xây dựng được các máy tính lượng tử quy mô lớn lên đến hàng chục nghìn qubit mà không gặp phải các giới hạn về không gian.

Tổng hợp Arstechnica, ScienceAlert