Nụ cười lạc lối của mèo Cheshire lượng tử

Mèo Cheshire lượng tử là một cách ẩn dụ tuyệt vời khiến mọi người quan tâm nhiều hơn đến nền tảng của cơ học lượng tử.

Chắc chắn bạn đã nhiều lần nhìn thấy mèo không cười rồi, đúng không? Nhưng, nếu chỉ thấy nụ cười treo lơ lửng trên cành cây mà không hề thấy chú mèo nào cả thì bạn nghĩ sao? Có thể bạn cho đó là điều vô lý nhất trong đời! Điều vô lý như thế chỉ có thể xẩy ra trong thế giới thần tiên ảo tưởng mà thôi. Nhưng không, nó có thể có trong thế giới lượng tử của các hạt vi mô.

Mèo Cheshire dân gian

Trong truyện cổ tích nổi tiếng “Alice ở xứ sở thần tiên” (“Alice’s Adventures in Wonderland”) của Lewis Carroll xuất bản lần đầu tiên vào năm 1865 có một chú mèo rất kỳ quặc, rất thông minh, biết nói và thường nói một cách châm biếm theo kiểu logic ngược. Đặc biệt nhất là khả năng xuất hiện theo ý muốn và có thể biến mất từng phần, có khi chỉ để lại một nụ cười quái đản lơ lửng giữa không trung. Lewis Carroll không nói rõ tại sao chú mèo kỳ quặc đó lại có tên “mèo Cheshire”. Chỉ biết rằng Lewis Carroll đã sinh ra và lớn lên ở Cheshire – một địa hạt của nước Anh – và ở thế kỷ 18-19 trước các quán rượu hay trên các hộp đựng pho mát ở Cheshire thường có hình một chú mèo đang cười toe toét (chắc để “câu vui” khách hàng). Vì thế, ngay từ thời đó, tức từ trước khi có truyện “Alice ở xứ sở thần tiên”, trong tiếng Anh đã có thành ngữ: “Cười toe toét như mèo Cheshire” (“Grin like a Cheshire cat”), để chỉ người có một nụ cười kỳ quái quá mức. Rất có thể Lewis Carroll đã mượn thành ngữ này nhằm ẩn dụ hình ảnh “có nụ cười mà không có thân thể” để gán cho chú mèo trong truyện của ông và gọi nó là mèo Cheshire.

Những hư cấu về hành vi của mèo Cheshire trong xứ sở thần tiên cũng rất giống hành vi của các đối tượng lượng tử trong thế giới vi mô.

Những đặc tích mà Lewis Carroll đã hư cấu về mèo Cheshire của mình, như lập luận kiểu logic ngược, ngụy biện và phản trực giác, v.v., vô tình biến mèo Cheshire thành một đối tượng lượng tử (quantum object) trong thế giới vi mô hiện đại – thế giới tuân theo một loại cơ học kỳ quặc, gọi là cơ học lượng tử. Đặc biệt, khả năng hiện ra theo trình tự phi lý, đuôi hiện ra trước thân thể hiện ra sau rồi cuối cùng mới đến cái đầu, đã đảo lộn trật tự nhân-quả hoặc cấu trúc hình học thông thường của thế giới vĩ mô cổ điển mà chúng ta đang sống trong đó. Đáng chú ý nhất là việc chú mèo có thể đột nhiên biến mất hoàn toàn ngoại trừ một nụ cười nhe trọn hàm răng tởm lợm. Có nghĩa là, về mặt không gian, nụ cười của mèo đã hoàn toàn lìa khỏi thân thể của nó. Điều này gợi mở về một hiện tượng đầy tính triết học: hiện tượng “thuộc tính của vật có thể tách rời khỏi vật mang thuộc tính đó”. 

Mèo Cheshire lượng tử

Nhiều người hẳn đã biết về mèo Schrödinger, một chú mèo bị nhốt trong một hộp kín cùng với một chất phóng xạ đang phân rã. Nếu mở hộp ra thì thấy chắc chắn là chú mèo đã chết hoặc vẫn còn kêu “meo meo”. Nhưng khi hộp chưa mở thì chú mèo trong hộp sẽ ở trạng thái vừa chết vừa sống cùng một lúc, một sự xúc phạm thế giới vĩ mô thường nhật. Cần nói ngay, mèo Schrödinger không phải là loài động vật duy nhất trong vườn thú lượng tử. Có thể chưa nhiều người biết đến một loại mèo khác, mèo Cheshire lượng tử, nhưng hành vi của loại mèo này thậm chí còn làm cho thế giới cổ điển bị xúc phạm ghê gớm hơn nhiều.

Những mô tả của Lewis Carroll về xứ sở thần tiên (Wonderland) nơi mọi thứ diễn ra theo những cách ‘điên rồ’, phi trực giác lại có nhiều điểm rất giống với những gì xảy ra trong thế giới vi mô, nơi các ‘định luật kỳ quặc’ (weird laws) của cơ học lượng tử thống trị. Những hư cấu về hành vi của mèo Cheshire trong xứ sở thần tiên cũng rất giống hành vi của các đối tượng lượng tử trong thế giới vi mô. Các nhà vật lý lượng tử đã cảm nhận được hiện tượng này trong thế giới vi mô, gọi là hiệu ứng “mèo Cheshire lượng tử” (quantum Cheshire cat) và đã mày mò tìm cách hiện thực hóa chú mèo Cheshire lượng tử bằng thực nghiệm.

Năm 2013, Yakir Aharonov và các cộng sự đã lần đầu tiên đưa ra khái niệm mèo Cheshire lượng tử¹ thông qua việc đề xuất một phép đo lượng tử mới, gọi là phép đo yếu (weak measurement)^2,3. Khác với phép đo lượng tử thông thường theo tiên đề của phép đo lượng tử, còn được gọi là phép đo mạnh (strong measurement) trong tương quan với phép đo yếu, là phép đo làm suy sụp (collapse) hoàn toàn trạng thái của đối tượng được đo, tức là xóa sạch mọi thông tin về trạng thái đó khiến nó không thể khôi phục lại được, phép đo yếu là một phương pháp đo đặc biệt trong cơ học lượng tử chỉ làm xáo trộn chút ít trạng thái được đo và vì thế cho phép trích xuất thông tin của trạng thái đó với độ chính xác cao. Để quan sát được hiện tượng mèo Cheshire lượng tử, ngoài phép đo yếu còn cần thêm kỹ thuật tách chùm (beam splitting) nhằm thiết lập trạng thái chồng chập lộ trình trong không gian thực của hạt vi mô (tức là làm cho hạt đồng thời di chuyển theo hai lộ trình khác biệt) và hậu lựa chọn (post-selection) trạng thái của hạt sau khi đo: trạng thái được hậu lựa chọn sao cho kết quả đo trước đó ứng với điều kiện cụ thể nào đó. Trước tiên hãy tìm hiểu về phép đo yếu.

Phép đo yếu

Giả sử ta cần đo đại lượng vật lý A của một đối tượng lượng tử (photon, điện tử, v.v.) được chuẩn bị ở trạng thái |y_in 〉 vào thời điểm t = 0 . Trong cơ học lượng tử phép đo được thực hiện bằng cách cho đối tượng lượng tử tương tác với một thiết bị đo (measuring device) ở trạng thái ban đầu thông qua Hamiltoinan tương tác. Sau một khoảng thời gian t trạng thái ban đầu của cả hệ  sẽ tiến triển thành trạng thái Ψ, với bề rộng phổ của các đỉnh trong không gian tọa độ là Δ. Phân bố xác suất đối của thiết bị đo P (q) là tổng của các phổ với các đỉnh tại q = qn = ga_n (g là hệ số tương tác – xem chú thích). Trong giới hạn độ rộng phổ Δ → 0  thì P (q), cho kết quả đo là A = a_n = q_n /g với xác suất bằng |a_n|² và trạng thái của đối tượng được đo sẽ rơi vào một trong những trạng thái riêng n của hệ (còn gọi là suy sụp trạng thái thành |a_n 〉). Đó chính là phép đo mạnh, còn gọi là phép đo chiếu (projective measurement) thông thường khi hệ số tương tác g lớn. Khi g nhỏ và thỏa mãn điều kiện g ~ Δ  trạng thái của cả hệ hầu như không thay đổi, các đỉnh của  P (q) sẽ rất sát nhau không phân biệt rõ ràng được vì các phổ phủ lên nhau (overlap) rất nhiều. Trong trường hợp này, các tính toán gần đúng cho thấy  kim của thiết bị đo sẽ chỉ vào một vị trí duy nhất và không thể xác định được giá trị của các trị riêng (tức là không thu được thông tin mong muốn về đại lượng cần đo A), chưa nói sự dịch của kim so với vị trí q = 0 trước khi đo là rất nhỏ, hầu như không quan sát được trên thực nghiệm. 

Phép đo yếu có tiềm năng to lớn dẫn đến các hiểu biết mới về nền tảng lý thuyết và ứng dụng trong công nghệ lượng tử.

Năm 1990, để có thông tin mong muốn về A, Aharonov và Vaidman đã đề xuất một kỹ thuật đo mới³, theo đó cần làm tiếp một phép đo chiếu đối với đối tượng lượng tử đang quan tâm và hậu lựa chọn nó trong trạng thái khác với trạng thái ban đầu. Trạng thái của thiết bị đo sau khi hậu lựa chọn sẽ là  trạng thái được định nghĩa của giá trị yếu (weak value) của A. Khi đó phân bố xác suất của thiết bị đo sẽ ứng với vị trí q = gA_w. Từ định nghĩa thấy rằng trị yếu A_w có thể nằm ngoài miền cho phép của các trị riêng của A và thậm chí có thể là số phức, phụ thuộc vào các trạng thái tiền lựa chọn (pre-selection) |y_in〉 và hậu lựa chọn |y_fin. Nếu chọn sao cho 〈y_fin |y_in〉 nhỏ đáng kể thì A_w có thể lớn đáng kể và sự dịch của kim của thiết bị đo so với vị trí ban đầu q = 0 là có thể quan sát được cho dù g rất nhỏ². Đó chính là ý nghĩa của việc hậu lựa chọn. Phép đo vừa trình bày gọi là phép đo yếu, có ích lợi đặc biệt trong trường hợp cần thông tin về một đại lượng vật lý của một đối tượng lượng tử khi đối tượng này tương tác rất yếu với thiết bị đo. Đặc trưng của phép đo yếu là sự tiền lựa chọn và hậu lựa chọn trạng thái của đối tượng cần đo. 

Hệ quả của phép đo yếu rất ngạc nhiên. Điển hình là việc hai đại lượng vật lý ứng với hai toán tử không giao hoán X và Y (tức là [X, Y] ≠ 0 ) vẫn có thể có các giá trị xác định tại thời điểm trung gian giữa các thời điểm tiền chọn và hậu chọn, trái với hệ thức bất định Heisenberg³. Mục đích của phép đo yếu là trích xuất thông tin từ một hệ lượng tử bằng một loạt các “cú chọc” nhẹ (tương tác yếu) mà không phá hủy hoặc chỉ làm thay đổi không đáng kể trạng thái của hệ lượng tử đó. Mặc dù bản thân ý tưởng về phép đo yếu không có vẻ là một sự thay đổi triệt để trong khuôn khổ chung của lý thuyết lượng tử, nhưng “một thế giới hoàn toàn mới đã xuất hiện”, như Popescu nói. Phép đo yếu có tiềm năng to lớn dẫn đến các hiểu biết mới về nền tảng lý thuyết và ứng dụng trong công nghệ lượng tử. Các ứng dụng quan trọng của nó thể hiện trong việc đo chính xác các hiệu ứng rất nhỏ bằng cảm biến lượng tử và giao thoa kế (ví dụ, đo độ lệch chùm nhỏ đến 10^-8 rad⁴ hay đo chính xác tần số quang⁵, đọc thông tin mà không phá hủy trạng thái hoặc gây nhiễu rất ít do đó có thể dựng lại trạng thái lượng tử⁶, tái hiện được “quỹ đạo lượng tử”⁷, theo dõi sự tiến triển của đối tượng lượng tử⁸, kiểm tra cơ sở logic và kiến trúc thông tin lượng tử⁹, v.v.). 

Aharonov và các cộng sự đã dành bốn thập kỷ để nghiên cứu nhiều loại kịch bản trong đó phép đo yếu có thể dẫn đến hệ quả rất khác thường, điển hình nhất là mèo Cheshire lượng tử – một trong những kịch bản tình cờ được phát hiện ra trong quá trình nghiên cứu. Hãy xem mèo Cheshire lượng tử được hiện thực hóa như thế nào.

Tạo mèo Cheshire lượng tử 

Một nhóm các nhà vật lý từ Israel và Vương quốc Anh¹ đã cho thấy các định luật kỳ lạ của cơ học lượng tử cho phép hiện thực hóa mèo Cheshire lượng tử bằng thực nghiệm.

Trên hình 1 là sơ đồ thí nghiệm. Ký hiệu |H〉 và |V〉 là trạng thái phân cực ngang (Horizontal Polarization) và phân cực dọc (Vertical Polarization) của photon. Lúc đầu, photon có phân cực ngang chuyển động về phía phải. Sau khi đi qua thiết bị tách chùm BS1, trạng thái của nó trở thành |Ψ〉 = (i|L〉 + |R〉)|H /√2, là trạng thái tiền chọn: photon cùng lúc di chuyển cả về phía trái và phía phải, mỗi phía với xác suất 1/2. Sau đó, photon được truyền qua các thiết bị khác nhau được sắp xếp như trên hình 1. Các tính toán cho thấy nếu, trước khi gặp đĩa nửa bước sóng (HWP), photon ở trạng thái |Ф〉 = (|L〉|H〉 + |R〉|V〉) / √2, thì nó chắc chắn sẽ đâm vào D1, làm cho đầu thu này nháy. Còn nếu đó là bất kỳ trạng thái |Ф〉  nào trực giao với |Ф〉 thì hoặc D2 hoặc D3 sẽ nháy. Trạng thái |Ф〉 là trạng thái hậu chọn, tức là sẽ chỉ quan tâm đến các sự kiện khi D1 nháy mà thôi. Câu hỏi là photon hành xử thế nào trong khoảng thời gian giữa tiền chọn và hậu chọn. 

Để xem photon đi về phía nào trong khoảng thời gian nói trên ta dùng thiết bị đo hướng đi ứng với các toán tử đo Π ={Π_r = |R〉〈R|,Π_L = |L〉〈L|}. Nếu phép đo này phát hiện photon đi về phía phải, có nghĩa trạng thái tiền chọn |Ψ〉  “suy sụp” thành |Ψ’〉 = |R〉|H〉, thì trường hợp này bị loại vì |Ψ’〉⊥| Ф〉 nên D1 không nháy. Suy ra, chỉ các photon đi về phía trái là thỏa mãn điều kiện tiền chọn và hậu chọn. Để có thông tin về phân cực người ta đặt một thiết bị đo phân cực trên lộ trình hướng về phía phải/trái nhằm thực hiện phép đo ứng với toán tử đo s_R/L= Π_R/L(|+〉〈+|−|−〉〈−|), |±〉 = (|H〉±i|V〉) / √2. Để cụ thể, xét phép đo phân cực trên lộ trình hướng về phía phải. Toán tử đo s_R có ba hàm riêng |R〉|+〉, |R〉|–〉 và hàm bất kỳ trong không gian con tạo bởi hai vectơ cơ sở |L〉|+〉 và |L〉|–〉, ứng với ba trị riêng +1, -1 và 0. Tính toán cụ thể cho thấy xác suất có điều kiện (ứng với hậu chọn, tức là sao cho D1 nháy) để nhận được kết quả +1 hoặc -1 là khác không. Có nghĩa là vẫn có phân cực trên hướng đi về phía phải mặc dù, như đã thấy từ phép đo trước, photon không đi theo hướng này. Điều này dường như đã cho thấy ‘bóng hình’ của mèo Cheshire lượng tử: Nụ cười của nó (là sự phân cực) hiện hữu trên lộ trình hướng về phía phải còn thân thể (là photon) thì lại di chuyển theo hướng về phía trái! 

Tuy nhiên, cách làm và kết luận như trên là không đúng vì hai loại phép đo, một để “dò mèo” (dò hướng đi) và một để “dò nụ cười” (dò phân cực), được thực hiện tại hai thời điểm khác nhau. Nếu sau phép đo “dò mèo” mà cho kết quả là mèo đi về phía trái thì khả năng đi về phía phải bị “loại” hoàn toàn nên phép đo “dò nụ cười” tiếp theo trên hướng về phía phải là phi lý, không có ý nghĩa. Do đó, có xu hướng cho rằng mèo Cheshire lượng tử là một nghịch lý và ‘hình ảnh’ của nó chỉ là một ảo ảnh quang học! Để tạo được mèo Cheshire lượng tử cần tiến hành đồng thời cả hai phép đo, tức là vừa “dò mèo” vừa “dò nụ cười”, trên cùng một hướng truyền của photon. 

Aharonov và các đồng nghiệp đã hóa giải được nghịch lý trên bằng phép đo yếu. Họ thay đầu thu D1 bởi một camera CCD (camera sử dụng thiết bị ghép điện tích, Charge-Coupled Device, để chuyển ánh sáng thành tín hiệu điện tử, cho phép ghi lại hình ảnh) với kim chỉ (pointer) có thể dịch theo chiều dọc hoặc/và chiều ngang, tùy theo lộ trình và phân cực của photon. Cụ thể, trên một hướng truyền của photon, đặt một tấm kính với pháp tuyến nghiêng một góc rất nhỏ so với hướng truyền của photon. Nếu photon đi qua hướng đó thì kim của camera sẽ dịch một lượng theo chiều dọc. Đồng thời, một phần tử quang học tương tác yếu với độ phân cực cũng được đặt cùng với tấm kính trên cùng một hướng truyền của photon. Nếu photon có phân cực thì phần tử quang học sẽ cảm ứng làm cho kim của camera dịch một lượng theo chiều ngang. Cách đặt tấm kính và phần tử quang học như thế cho phép cùng lúc đo được cả sự hiện diện của chính photon và phân cực của nó trên cùng một hướng truyền. Theo hình thức luận về phép đo yếu trong kịch bản đang xét với tiền chọn và hậu chọn là |Ψ〉 và |Ф〉, giá trị của các trị yếu tính ra sẽ là {(Π_L) = l, (s_L)_w = 0} và {(Π_R)_w = 0, (s_R)_w = 1}. Nghĩa là, nếu cùng đặt tấm kính và phần tử quang trên hướng về phía trái thì kim của camera chỉ dịch theo chiều dọc, chứng tỏ photon đi về phía trái mà không “mang theo” phân cực. Còn, nếu cùng đặt tấm kính và phần tử quang trên hướng về phía phải thì kim của camera chỉ dịch theo chiều ngang, chứng tỏ có phân cực mà chẳng có photon trên hướng này. Sự phân cực (nụ cười) đã tách rời khỏi photon (chú mèo): Đó chính là chú mèo Cheshire lượng tử! Tất nhiên chỉ cần đo trên một hướng truyền là đủ. Nếu đo trên hướng về phía trái sẽ có {(Π_L)_w= 1, (s_L)_w = 0}, tức là theo hướng này có mèo mà không có nụ cười. Còn nếu đo trên hướng về phía phải  sẽ có {(Π_R)_w = 0, (s_R)_w = 1}, tức là theo hướng này mèo không thấy mà chỉ thấy nụ cười. Mỗi trong hai cách đo đều thể hiện sự tách của nụ cười khỏi mèo. Các tác giả đưa bản thảo của mình lên arXiv vào tháng 2/2012. Sau đó họ gửi cho tạp chí New Journal of Physics vào tháng 1/2013 và, phải sau chín tháng trải qua quá trình phản biện căng thẳng, bài báo mới được đăng vào tháng 11/2013¹. Tất cả mất 21 tháng chờ đợi. Tiếp sau nhóm của Aharonov, các nhóm khác cũng đã tiến hành thí nghiệm để quan sát mèo Cheshire lượng tử đối với neutron phân cực¹⁰ và photon đơn lẻ¹¹. 

Để tạo được mèo Cheshire lượng tử cần tiến hành đồng thời cả hai phép đo, tức là vừa “dò mèo” vừa “dò nụ cười”, trên cùng một hướng truyền của photon. 

Mặc dầu mô tả toán học rất rõ ràng, nhưng cách diễn giải về mèo Cheshire lượng tử lại có vẻ gây tranh cãi. Sau khi bài báo đã được đăng, Popescu thừa nhận: “Nó vượt ra ngoài dòng nghiên cứu chính. Nhưng cơ học lượng tử đã tồn tại hơn 100 năm và mọi người vẫn chưa thực sự hiểu sâu sắc về nó. Việc khám phá ra các hiệu ứng mới như này sẽ giúp ích nhiều vì sự kỳ lạ huyền bí của cơ học lượng tử sẽ được bộc lộ rõ hơn”. Popescu nói thêm rằng hiệu ứng mèo Cheshire lượng tử có thể được hiểu một cách tổng quát là, về nguyên tắc, không có gì ngăn cản sự tách các thuộc tính khác nhau của một đối tượng lượng tử ra khỏi nhau và ra khỏi chính đối tượng đó. Chẳng hạn, spin và điện tích của một điện tử có thể tách rời nhau và cả hai thuộc tính đó đều tách khỏi chính điện tử hoặc một nhóm các điện tử cũng có thể tách ra khỏi từ trường của chính chúng. v.v. Tuy nhiên, ông cho biết, các kỹ thuật cần thiết để hiện thực các hiệu ứng đó vượt ra ngoài trình độ công nghệ hiện tại.

Viễn cảnh về việc các thuộc tính có thể tách rời khỏi đối tượng mang chúng có vẻ đáng lo ngại, nhưng đó là một cách diễn giải sinh động mang tính trực giác cho các dự đoán phản trực giác của cơ học lượng tử. Mèo Cheshire lượng tử không chỉ là một phép ẩn dụ mạnh mẽ để dễ cảm nhận hơn về hiện tượng thuộc tính của một đối tượng lượng tử và chính đối tượng mang đặc tính đó lại đi lạc nhau mà còn có tác dụng dẫn dắt các nhà nghiên cứu phát triển theo những hướng mới. Thật vậy, kể từ khám phá bất ngờ ban đầu về mèo Cheshire lượng tử, Aharonov, Popescu và các đồng nghiệp đã tình cờ phát hiện ra nhiều điều còn bất ngờ hơn. Cụ thể, năm 2021, họ đã khái quát hóa hiệu ứng mèo Cheshire lượng tử thành một bức tranh động lực học trong đó thuộc tính có thể dạo chơi lang thang trong không gian mà không hề có vật mang chúng¹². Hơn thế, mới đây, vào năm 2024, họ đã cho thấy khả năng xảy ra một dòng động lượng góc (a flow of angular momentum) từ vùng này sang vùng khác trong một miền không gian ngay cả khi xác suất tồn tại của bất kỳ hạt (hoặc trường) nào trong miền không gian đó là rất nhỏ, điều thách thức quan điểm thông thường về các định luật bảo toàn. Trong một khái quát hóa khác, cũng trong năm 2024, Aharonov và các cộng sự còn đã tưởng tượng ra một hạt với khối lượng lớn có thể được đo ở một nơi không có động lượng, trong khi động lượng của nó cũng có thể được đo ở một nơi khác mà không có khối lượng¹³. 

Hiệu ứng mèo Cheshire lượng tử có thể được hiểu một cách tổng quát là, về nguyên tắc, không có gì ngăn cản sự tách các thuộc tính khác nhau của một đối tượng lượng tử ra khỏi nhau và ra khỏi chính đối tượng đó.

Chắc hẳn không chỉ bạn thấy những ý tưởng này là điên rồ. “Chúng là những câu đố trí tuệ” cho tất cả mọi người, Jonte Hance, một nhà nghiên cứu về nền tảng lượng tử từ Anh, giải thích. Các nhà vật lý thường quá bận rộn áp dụng các quy tắc của cơ học lượng tử vào nhiều vấn đề khác nhau mà ít bận tâm hơn đến những câu hỏi có tính nền tảng. Sự thiếu quan tâm đến các nguyên lý cơ bản của vật lý lượng tử được minh họa một cách hoàn hảo qua một giai thoại như sau. Khi đang học vật lý ở Israel vào những năm 1950, Aharonov đã hỏi Nathan Rosen (một trong ba đồng tác giả của bài báo nổi tiếng về rối lượng tử đăng năm 1935 cùng với Albert Einstein) về việc có nên nghiên cứu nền tảng của cơ học lượng tử hay không. Lúc đó chủ đề này được coi là lỗi thời đến mức Rosen đã khuyên Aharonov nên tập trung vào các nghiên cứu ứng dụng. Thật may, Aharonov đã bỏ qua lời khuyên đó và, như đã thấy, các hiệu ứng đặc biệt kỳ dị nhưng có thể xảy ra trong thế giới vi mô đã được phát hiện bởi chính Aharonov và các đồng nghiệp. Hance cho rằng, mèo Cheshire lượng tử là một cách ẩn dụ tuyệt vời khiến mọi người quan tâm nhiều hơn đến nền tảng của cơ học lượng tử. 

Khi các khoa học về máy tính lượng tử và thông tin lượng tử bắt đầu xuất hiện, nghiên cứu liên quan đến nền tảng lượng tử đã có một sự hồi sinh ngắn ngủi, đạt đến đỉnh điểm vào đầu những năm 2010. Nhưng trong hơn một thập kỷ qua, nhiều ứng dụng của vật lý lượng tử đã vươn tới quy mô thương mại, để rồi, một lần nữa các nghiên cứu lại chuyển hướng rõ rệt sang các khoa học ứng dụng. Một thực tế khá bi quan là, bất chấp những lời giáo huấn rằng khoa học cơ bản là then chốt, các nhà vật lý vẫn khá thực dụng khi thiên về chiến thuật “ngậm miệng và tính toán” (“shut up and calculate”) cốt chỉ để có công bố nhằm nghiệm thu các đề tài các cấp. Theo Hance, những nghịch lý kiểu như nghịch lý EPR, mèo Schrödinger hay mèo Cheshire v.v. có tác dụng thách thức trực giác của con người và thúc đẩy họ suy nghĩ vượt ra ngoài khuôn khổ bình thường. Điều đó rất quan trọng ngay cả khi các nghiên cứu cơ bản không dẫn đến các ứng dụng hữu ích trong một tương lai gần hay thậm chí gặp phải rủi ro, thất bại. Những nghiên cứu cơ bản đi sâu vào nền tảng của cơ học lượng tử đã thu hút và truyền cảm hứng cho nhiều thế hệ các nhà vật lý và có vai trò cực kỳ quan trọng trong sự phát triển của công nghệ lượng tử. □

——-

Tài liệu tham khảo

¹ Y. Aharonov et al., New J. Phys. 15, 113015 (2013). Quantum Cheshire Cats.

² Y. Aharonov, D. Z. Albert & L. Vaidman, Phys. Rev. Lett. 60, 1351 (1988). How the result of a measurement of a component of the spin of a spin-1/2 particle can turn out to be 100.

³ Y. Aharonov., & L. Vaidman, Phys. Rev. A41, 11 (1990). Properties of a quantum system during the time interval between two measurements.

⁴ P. B. Dixon et al., Phy. Rev. Lett. 102, 173601 (2009). Ultrasensitive beam deflection measurement via interferometric weak value amplification. 

⁵ D. J. Starling et al., Phys. Rev. A82, 063822 (2010). Precision frequency measurements with interferometric weak values. 

⁶ S. Lundeen et al., Nature 474, 188 (2011). Direct measurement of the quantum wavefunction. 

⁷ S. Kocsis, et al., Science 332, 1170 (2011)]. Observing the average trajectories of single photons in a two-slit interferometer. 

⁸ K. W. Murch et al., Nature 502, 211(2013)]. Observing single quantum trajectories of a superconducting quantum bit. 

⁹ L. Vaidman, Phys. Rev. A87, 052104 (2013). Past of a quantum particle. 

¹⁰ T. Denkmayr et al., Nature Comms 5 4492 (2014). Observation of a quantum Cheshire Cat in a matter-wave interferometer experiment.

¹¹ J. M. Ashby, P. D. Schwarz & M. Schlosshauer, Phys. Rev. A 94, 012102 (2016). Observation of the quantum paradox of separation of a single photon from one of its properties.

¹² Y. Aharonov, E. Cohen and S. Popescu, Nature Commun. 12, 4770 (2021). A dynamical quantum Cheshire Cat effect and implications for counterfactual communication.

¹³ M. Waegell, J. Tollaksen and Y. Aharonov, Quantum 8, 1536 (2024). Separating a particle’s mass from its momentum.

Bài đăng Tia Sáng số 16/2025