Như truyện cổ tích: vi khuẩn "phân thân" và xuất hiện ở hai nơi cùng lúc

Nhắc đến sự phức tạp và kì diệu của cơ học lượng tử, nhiều người sẽ ngay lập tức hình dung đến con mèo nổi tiếng của Schrodinger. Trong một thí nghiệm tưởng tượng mà ông mô tả năm 1935, có thời điểm con mèo sẽ cùng một lúc vừa sống vừa chết.

Ngày nay, sau hơn 80 năm với sự phát triển của nhiều công nghệ tối tân, lần đầu tiên các nhà khoa học Trung Quốc đã đề xuất thực hiện một thí nghiệm tương tự ngoài đời thật. Về cơ bản, họ có thể khiến một con vi khuẩn “phân thân” để xuất hiện ở hai nơi cùng một lúc, hoặc khiến chúng di chuyển tức thời.

Nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí Science Bulletin.

Mô tả thí nghiệm để dịch chuyển tức thời vi khuẩn

“Thật là kì diệu khi có thể quan sát thấy một sinh vật duy nhất tại hai địa điểm khác nhau trong cùng một thời gian”, Tongcang Li đến từ Đại học Purdue, bang Indiana Hoa Kỳ cho biết.

“Trong nhiều câu chuyện cổ tích của quê hương tôi, một nàng tiên có thể cùng lúc xuất hiện ở hai địa điểm khác nhau. Hoặc là họ có thể di chuyển giữa các khoảng cách gần như tức thời. Thí nghiệm mà chúng tôi thực hiện cũng tương tự như thế, nhưng thay vì một nàng tiên, đối tượng di chuyển là các vi khuẩn”, Li cho biết thêm.

Hiện tại, nhóm nghiên cứu của ông đang hợp tác làm việc tại Trung tâm Thông tin lượng tử thuộc Đại học Thanh Hoa, Bắc Kinh để xúc tiến hiện thực hóa thí nghiệm này.

Nói về lý thuyết cơ học lượng tử, nó cho phép các đối tượng ở trong tình trạng chồng chập của hai trạng thái cùng một lúc. Nguyên tắc này tạo thành nền tảng cho niềm hy vọng phát triển những máy tính lượng tử trong tương lai. Nó sẽ mạnh mẽ và nhanh hơn bao giờ hết khi có thể mô tả hai bit 0 và 1 cùng lúc.

Mô tả thí nghiệm của Schrodinger năm 1935

Những ước mơ bắt đầu từ thế kỷ 20 khi cơ học lượng tử hình thành. Erwin Schrodinger, một trong những cha đẻ của lý thuyết lượng tử, đề xuất một thí nghiệm nổi tiếng năm 1935. Trong đó, một con mèo được đưa vào hộp kín với một nguồn phóng xạ nhỏ, một máy đếm Geiger (thiết bị dùng để phát hiện phóng xạ), một cái búa và chai thuốc độc nhỏ.

Schrodinger giải thích rằng khi nguyên tử của nguồn phóng xạ phân rã, máy đếm Geiger sẽ hoạt động để kích hoạt búa đập vỡ lọ chất độc, con mèo sẽ chết. Tuy vậy, ở một thời điểm khi cơ học lượng tử cho phép trạng thái sống, chết của con mèo “vướng” với trạng thái chồng chập của chất phóng xạ, con mèo sẽ cùng lúc ở hai trạng thái sống và chết.

“Mặc dù thí nghiệm tưởng tượng của Schrodinger đã thu hút được sự quan tâm rất lớn, từ thời điểm đó đến giờ chưa ai có thể thực hiện được trạng thái chồng chập của một sinh vật sống. Vì vậy, chúng tôi đã đưa ra một phương pháp đơn giản hơn: đưa sinh vật vào trạng thái chồng chập không gian. Nghĩa là một sinh vật có thể ở hai vị trí cùng một thời điểm”, Tiến sĩ Li nói.

Nhóm nghiên cứu nói họ sẽ tiến hành làm lạnh một loại vi khuẩn mang tên mycoplasma xuống tới trạng thái đóng băng. Sau đó họ đặt nó lên một thiết bị gọi là dao động màng cơ điện và tiếp tục làm lạnh để đông cứng cả hai.

Trước đó, năm 2013, một nghiên cứu của Đại học Colorado đã khởi nguồn cho ý tưởng này. Trong đó có nói rằng sự dao động rất nhỏ của màng nhôm có thể khiến nó ở trong trạng thái chồng chập lượng tử.

“Chúng tôi chỉ cần đặt vi khuẩn lên một đầu màng nhôm. Khi đó, vi khuẩn sẽ ở trong trạng thái chồng chập khi chính màng nhôm ở trong trạng thái đó. Nguyên tắc là khá đơn giản”, Tiến sĩ Li cho biết.

Tưởng tượng về trạng thái chồng chập lượng tử

Chưa dừng lại ở đó, các nhà nghiên cứu dự định sẽ tiến thêm một bước nữa. Họ sẽ tiến hành thí nghiệm thứ 2 để di chuyển bộ nhớ đang ở trạng thái lượng tử bên trong vi khuẩn tới một vi sinh vật khác ở cách xa nó. “Mục đích của thí nghiệm này là để làm cho hệ thống trở nên hữu ích. Nó có thể được sử đụng dể phát hiện khuyết tật DNA và protein trong sinh vật”, Tiến sĩ Li cho biết.

Tại thời điểm này, thí nghiệm của Tiến sĩ Li và nhóm của ông mới được xây dựng trên lý thuyết, mặc dù vậy, ít ra nó đã tiến xa hơn sự tưởng tượng của Schrodinger. Để khiến lý thuyết của mình đi vào đời thực, Li đang cố gắng thuyết phục những phòng thí nghiệm của nhiều nhà khoa học hàng đầu thế giới “Nếu các nhóm nghiên cứu hàng đầu thế giới trong cơ học lượng tử có thể tập trung nguồn lực vào thí nghiệm này, tôi nghĩ rằng chúng ta có thể khiến một vi khuẩn ở trạng thái chồng chập trong 3 năm”, ông nói.

Tham khảo Theguardian, ScienceAlert