😄 Đúng là vướng víu lượng tử (quantum entanglement) nghe như một thứ rất “ảo ma”. Nhưng nếu bỏ hết công thức đi thì nó lại có một ý tưởng cốt lõi khá đơn giản.
Hãy bắt đầu từ một câu cực kỳ quan trọng:
Hai hạt lượng tử có thể được tạo ra trong một trạng thái chung đến mức không thể mô tả đầy đủ trạng thái của hạt này mà không xét đến hạt kia.
Và đây chính là chỗ khiến vật lý cổ điển “khó chịu”.
1. Hãy tưởng tượng hai đồng xu
Tôi có hai đồng xu đặc biệt:
Đồng xu A Đồng xu B
🪙 🪙
│ │
└────── liên kết ─────┘Tôi tạo chúng ra theo một quy luật:
Nếu A là ngửa, B chắc chắn là sấp.
Nếu A là sấp, B chắc chắn là ngửa.
Bây giờ tôi mang A tới Việt Nam.
B mang B tới tận một thiên hà xa xôi.
Bạn đo A và thấy:
NGỬA
Bạn lập tức biết:
B phải là SẤP.
Nhưng chuyện này chưa phải vướng víu lượng tử.
Tại sao?
Bởi vì hoàn toàn có thể giải thích rằng:
Ngay từ đầu A đã được định sẵn là ngửa và B đã được định sẵn là sấp.
Giống như tôi bỏ:
A = ngửa
B = sấpvào hai chiếc hộp rồi mang chúng đi.
Không có gì kỳ quái.
2. Vấn đề bắt đầu khi hai “đồng xu” lượng tử không có mặt ngửa/sấp xác định trước
Đây mới là phần khó.
Một electron có thể có trạng thái spin:
↑hoặc
↓Nhưng trước khi đo, cơ học lượng tử cho phép nó ở trong chồng chập:
↑
/
/
●
\
\
↓Không phải đơn giản là:
“Nó đang ↑ nhưng chúng ta chưa biết.”
Mà trong mô tả lượng tử, trạng thái có thể thực sự là một tổ hợp của cả hai khả năng.
3. Bây giờ tạo hai electron vướng víu
Ví dụ chúng ta tạo hai hạt A và B sao cho tổng spin bằng 0.
Trạng thái của chúng có thể được biểu diễn rất đơn giản là:
A ↑ B ↓
HOẶC
A ↓ B ↑Nhưng điều quan trọng là:
Trước khi đo, không phải A đã chọn một đáp án và B đã chọn đáp án còn lại theo kiểu cổ điển.
Toàn bộ hệ A+B được mô tả bởi một trạng thái lượng tử chung.
Đây là ý nghĩa sâu sắc của “entanglement”.
4. Và rồi chúng ta tách chúng ra
Hãy tưởng tượng:
A
●
│
│
│
│
│
│
│
●
BA ở Việt Nam.
B ở Mỹ.
Hoặc thậm chí:
A ─────────────────────────────── Bcách nhau hàng triệu km.
Hai hạt vẫn có thể vướng víu lượng tử.
5. Bạn đo A
Giả sử bạn đo A.
Kết quả:
A = ↑
Ngay lập tức, kết quả đo của B sẽ tương quan:
B = ↓
Nếu đo theo cùng một phương đo.
Đây chính là phần khiến Einstein cực kỳ khó chịu.
Ông gọi hiện tượng này bằng cụm từ nổi tiếng:
“spooky action at a distance”
tạm dịch:
“tác động ma quái từ xa”.
6. Nhưng khoan!
Đây là chỗ rất nhiều video trên mạng giải thích sai.
Không có nghĩa là:
“A gửi một tín hiệu thần tốc cho B.”
Không.
Bạn không thể sử dụng vướng víu lượng tử để gửi:
“HELLO”
từ Việt Nam sang Mỹ nhanh hơn ánh sáng.
Đây là điểm cực kỳ quan trọng.
7. Vậy rốt cuộc “thông tin” nằm ở đâu?
Hãy tưởng tượng bạn và tôi mỗi người nhận một hạt.
Bạn:
ATôi:
BChúng tôi cách nhau rất xa.
Bạn đo A.
Bạn nhận được một kết quả hoàn toàn ngẫu nhiên:
↑hoặc:
↓Bạn không thể quyết định kết quả đó.
Bạn không thể nói:
“Tôi muốn A = ↑.”
Do đó bạn cũng không thể dùng nó để mã hóa:
1010101010108. Cái kỳ lạ nằm ở chỗ khác
Sau khi cả hai người trao đổi kết quả đo bằng một kênh thông thường, ví dụ Internet:
Bạn:
A:
↑ ↓ ↑ ↑ ↓ ↑Tôi:
B:
↓ ↑ ↓ ↓ ↑ ↓Hai người so sánh.
😳
Các kết quả có tương quan cực kỳ đặc biệt.
Đó chính là điều mà các thí nghiệm Bell đã kiểm tra.
9. Bell đã giải quyết một vấn đề rất sâu
Trước đây có thể nghĩ:
“Có lẽ hai hạt chỉ mang theo các giá trị bí mật từ đầu.”
Ví dụ:
A biết ↑
B biết ↓và chúng ta chỉ chưa biết.
John Bell đưa ra một cách để kiểm tra điều này.
Ông chứng minh rằng:
Nếu thế giới tuân theo các lý thuyết biến ẩn cục bộ kiểu cổ điển, các tương quan giữa hai hạt phải tuân theo một giới hạn nhất định.
Đó là:
Bell’s inequality.
Nhưng các thí nghiệm lượng tử cho thấy:
Các tương quan lượng tử có thể vi phạm bất đẳng thức Bell.
Và đây mới thực sự là điều kinh khủng.
10. Vì vậy vướng víu không đơn giản là “hai hạt biết nhau”
Đây là cách nói phổ biến nhưng hơi sai.
Không phải:
A: "Tôi biết B đang ↓."
B: "Tôi biết A đang ↑."Mà đúng hơn:
┌──────────────────────┐
│ MỘT TRẠNG THÁI │
│ LƯỢNG TỬ CHUNG │
└──────────┬───────────┘
│
┌──────┴──────┐
▼ ▼
A BHai hạt có thể được xem như hai phần của một trạng thái lượng tử chung.
11. Một ví dụ gần gũi hơn: chiếc hộp bí ẩn
Hãy tưởng tượng tôi không nói:
“A là đỏ hoặc xanh.”
Mà trạng thái của cả hệ là:
A đỏ + B xanh
VÀ
A xanh + B đỏđồng thời ở cấp độ lượng tử.
Không phải:
A đỏ B xanhhoặc:
A xanh B đỏmà trạng thái toán học của hệ là sự chồng chập của cả hai khả năng.
Khi bạn đo A:
A = đỏthì kết quả của phép đo đối với B sẽ tương ứng:
B = xanh12. Và đây là điểm cực kỳ quan trọng
Entanglement không phải là một sợi dây vật lý nối hai hạt.
Hình ảnh bạn gửi:
nhìn rất đẹp nhưng các đường sáng nối hai hạt chỉ là cách minh họa.
Trong thực tế không có một “sợi dây năng lượng” chạy giữa chúng.
13. Vậy tại sao Einstein không thích nó?
Einstein tin rằng vật lý phải có một mức độ:
locality — tính địa phương
Nói nôm na:
Một vật ở đây không thể tức thời tác động vật lý lên một vật ở rất xa.
Nhưng cơ học lượng tử đưa ra các tương quan dường như không thể giải thích bằng một lý thuyết biến ẩn cục bộ.
Einstein không sai khi đặt câu hỏi.
Ông đã giúp mở ra chính vấn đề mà Bell sau này biến thành một phép kiểm chứng thực nghiệm.
14. Có phải “truyền thông tin nhanh hơn ánh sáng” không?
Không.
Đây là một trong những hiểu lầm lớn nhất.
Entanglement cho phép:
tương quan lượng tử
nhưng không cho phép:
truyền thông tin có chủ đích nhanh hơn ánh sáng.
Muốn biết kết quả của người kia, bạn vẫn phải trao đổi dữ liệu bằng một kênh thông thường.
Do đó thuyết tương đối vẫn không bị phá vỡ theo cách đó.
15. Và đây là nơi nó trở nên cực kỳ hữu ích
Vướng víu lượng tử không chỉ là một trò “ảo thuật”.
Nó là nền tảng của nhiều lĩnh vực:
Máy tính lượng tử
Qubit
↓
Superposition
↓
Entanglement
↓
Quantum gates
↓
Quantum computationMật mã lượng tử
Entanglement có thể được sử dụng trong các giao thức phân phối khóa lượng tử và kiểm tra tính chất lượng tử của kênh.
Quantum teleportation
Nghe tên như phim khoa học viễn tưởng 😄 nhưng không phải dịch chuyển vật chất.
Nó là quá trình truyền trạng thái lượng tử sử dụng:
Entanglement
+
Classical communication16. Nếu chỉ nhớ một câu
Nếu phải giải thích cho một người chưa học vật lý, tôi sẽ nói:
Vướng víu lượng tử là khi hai hệ lượng tử được tạo ra trong một trạng thái chung mà các kết quả đo của chúng có những tương quan mạnh đến mức không thể giải thích bằng việc mỗi hạt đơn giản mang sẵn một bộ “đáp án bí mật” độc lập tại chỗ.
Và câu thứ hai:
Nó rất kỳ lạ, nhưng không cho phép gửi thông tin nhanh hơn ánh sáng.
Và có một cách để tôi giải thích cho bạn dễ “ngộ” hơn nữa
Nếu bạn muốn, chúng ta có thể làm một thí nghiệm Bell bằng ví dụ cực kỳ đơn giản, chỉ dùng hai người, hai chiếc hộp và ba cách đo, không cần toán học phức tạp. Khi đó bạn sẽ thấy tại sao Einstein có lý khi nghi ngờ, nhưng tại sao các thí nghiệm lại cho thấy “thiên nhiên thực sự không chơi theo luật của những chiếc hộp cổ điển”.
