Tương lai của viễn tải và truyền thông lượng tử

Bài viết Một số hướng nghiên cứu truyền thông lượng tử, (Tia Sáng 20-3-2008), khá điển hình cho cách hiểu không chỉnh về một bước phát triển rất quan trọng của ngành quang lượng tử trong 15 năm qua. Hy vọng bài viết này sẽ cung cấp cái nhìn tổng quát về cơ sở khoa học, hiện trạng, triển vọng cũng như những quan niệm sai lầm về viễn tải lượng tử..

Viễn tải là gì?
Viễn tải (teleportation) là sự vận chuyển các vật hay các hạt cơ bản từ nơi này tới nơi khác, hầu như tức thời, mà không phải di chuyển qua không gian1. Với kỹ thuật hiện hành, viễn tải “chính xác” chỉ thực hiện được với các photon và các nguyên tử. Vì thế nó còn được gọi là viễn tải lượng tử (quantum teleportation). Viễn tải ‘không chính xác” là khả năng mã hóa một đối tượng rồi truyền tin bằng sóng vô tuyến hay tín hiệu điện tới địa điểm khác, nơi một bản sao của đối tượng cần viễn tải sẽ được tạo ra. Vì thế nó còn được gọi là truyền thông lượng tử (một cách không thật chính xác). Viễn tải cũng được dùng để giải thích nhiều hiện tượng dị thường; và quan niệm thường xuất hiện trong tiểu thuyết viễn tưởng. Hầu hết nội dung trong bài viết Một số hướng nghiên cứu truyền thông lượng tử thuộc phạm trù này 2.
Nguồn gốc của quan niệm
Sau sáng chế bánh xe hơn 5000 năm trước, loài người luôn cố gắng tìm các phương cách ngày càng nhanh để di chuyển từ nơi này tới nơi khác. Xe cút kít, xe ngựa, ô tô, máy bay, tên lửa là những cố gắng giảm thời gian di chuyển. Dù hiện đại đến mấy thì chúng cũng có chung nhược điểm: chúng luôn phải vượt qua khoảng cách vật lý giữa điểm khởi hành và đích đến. Vì thế xuất hiện mong ước rất tự nhiên là tìm một phương pháp kết hợp các tính chất của vận tải và truyền thông để tạo nên cái gọi là viễn tải. Đó là cách giải mã một vật ở địa điểm này rồi gửi cấu hình phân tử tới một địa điểm khác, nơi vật sẽ được tái cấu trúc hóa. Đó chính là cách du hành với tốc độ xấp xỉ ánh sáng; nên trên phạm vi Trái Đất, nó hầu như có tính tức thời.

THÍ NGHIỆM INNSBRUCK bắt đầu với một xung laser tử ngoại năng lượng cao. Chuyển động từ trái sang phải, qua tinh thể, xung tạo cặp photon rối A và B; A được gửi cho Alice, B – cho Bob. Phản xạ lại tinh thể, xung tạo thêm hai photon C và D. Một bộ phân cực tạo cho D trạng thái phân cực đặc biệt X. Photon C được ghi lại, để chắc chắn photon X đã được gửi cho Alice. Bằng bộ tách tia, Alice tổ hợp hai photon A và X, tức tìm trạng thái A và X rối với nhau. Khi Alice đo được mỗi photon trên từng máy đo (dấu hiệu A và X có vector phân cực vuông góc, tức rối lượng tử, với nhau), cô liền báo cho Bob. Và Bob biết rằng photon B anh nhận được chính là bản sao của photon X, cho thấy viễn tải lượng tử đã thành công.

Thuật ngữ teleportation được nhà văn Mỹ Charles Fort đưa ra năm 1931 trong tác phẩm “Lo!”, khi ông thêm tiền tố tiếng Hy Lạp tele- (khoảng cách) vào động từ tiếng Latin portare (mang) để mô tả sự mất tích và tái xuất hiện của các vật dị thường mà ông giả định chúng có liên hệ với nhau. Sau đó thuật ngữ và quan niệm xuất hiện trong hàng loạt tác phẩm viễn tưởng, gồm sách báo và phim ảnh, đặc biệt trong bộ phim truyền hình Star Trek, 1963-1965. Dựa trên truyện của Gene Roddenberry, giới điện ảnh cho thuyền trưởng Kirk cùng phi hành đoàn du hành tới các hành tinh xa xôi rất dễ dàng nhờ “máy viễn tải”. Bước vào cỗ máy kì diệu đó, họ tan thành các hạt cơ bản rồi được vận chuyển với tốc độ ánh sáng tới hành tinh bí mật, nơi họ được tái tạo với độ chính xác tuyệt đối.

Đáng tiếc là về khoa học, nguyên lý bất định Heisenberg của cơ học lượng tử không cho phép điều đó xảy ra. Nguyên lý này nói rằng, không thể đo đạc chính xác đồng thời các cặp đại lượng vật lý liên hợp (như vị trí và tốc độ, năng lượng và thời gian…). Vì thế các nhà khoa học trong Star Trek không thể đo chính xác cấu hình phân tử của phi hành đoàn; nên nếu may mắn viễn tải thành công, có khả năng trên hành tinh X, thay cho phi hành đoàn như mong đợi, họ lại thu được đàn cá heo chẳng hạn! (Trong Star Trek, các nhà làm phim tưởng tượng “Bộ bù trừ Heisenberg” để vượt qua khó khăn này, điều bất khả trên thực tế).

Sáu nhà khoa học đưa ra phương án lý thuyết để viễn tải lượng tử năm 1993

Nhưng thật lạ lùng, vào năm 1993, Charles H. Bennett của hãng IBM, cùng Gilles Brassard, Claude Crepeau và Richard Josza của Đại học Montreal, Asher Peres của Viện công nghệ Israel và William K. Wootters của Đại học Williams, đã tìm ra cách dùng một đặc trưng khác của cơ lượng tử để vượt qua nguyên lý bất định. Đó là rối lượng tử (quantum entanglement)3.
Rối lượng tử
Là đặc tính gắn kết các hạt vi mô bằng “tương tác xa kì lạ” (lời Einstein), rất khó diễn giải rối lượng tử bằng ngôn ngữ thông thường. Tuy nhiên có thể hiểu quan niệm qua thí dụ ánh sáng phân cực dưới đây.
Ánh sáng thông thường là ánh sáng không phân cực, khi các vector điện trường của nó có hướng bất kì (vuông góc với phương truyền sáng). Một số loại tinh thể có thể phân cực ánh sáng, khi làm suy giảm hay dập tắt vector điện trường theo một hướng nào đó. Ánh sáng có thể phân cực hoàn toàn hay phân cực thẳng, khi vector điện trường chỉ lấy một hướng.
Tinh thể alpha barium borate có khả năng đặc biệt, khi biến một photon tử ngoại thành hai photon năng lượng thấp hơn, với các vector phân cực (vector điện trường) vuông góc với nhau, chẳng hạn một nằm ngang và một thẳng đứng. Ta nói hai photon đó “rối lượng tử” với nhau, vì khi gửi chúng tới hai thiên hà xa nhau, nếu tại thiên hà X người ngoài hành tinh thấy photon bay tới phân cực thẳng đứng, thì họ biết ngay photon kia phân cực nằm ngang, mà không cần mất công bay tới thiên hà Y để quan sát. Người ta nói rối lượng tử chính là lý do để xem vũ trụ thống nhất ở thang bậc vi mô (trong khi quán tính là căn nguyên để nói vũ trụ thống nhất ở thang bậc vĩ mô). Bài báo của 6 nhà khoa học đăng trên tạp chí Physical Review Letters, 29-3-1993, chính là phương án lý thuyết dùng rối lượng tử giữa các photon để thực hiện viễn tải. Và thí nghiệm Innsbruck năm 1997 đã biến khả năng viễn tưởng trở thành hiện thực.
Thí nghiệm Innsbruck
Giáo sư Anton Zeilinger trước làm việc tại Đại học Innsbruck, nay tại Đại học Vienna. Ông được giới truyền thông gọi là “Mister Beam” (Mister Bean là nhân vật hài nổi tiếng người Anh), một cái tên mà ông không hài lòng. Theo ông, beaming (chiếu rọi) các vật đi xa chỉ có trong truyện viễn tưởng, vì thế nó tạo ấn tượng sai về công việc của ông với tư cách một nhà vật lý. Ông là người biến ý tưởng lý thuyết của Bennett và đồng sự thành hiện thực trong thí nghiệm Innsbruck năm 1997 4.
Trong thí nghiệm Innsbruck, Zeilinger tạo cặp photon rối A và B bằng tinh thể barium borate nói trên. Ông biết A và B có vector phân cực vuông góc với nhau, nhưng không biết cụ thể chúng nằm hướng nào. Ông không thể đo để xác định hướng cụ thể, vì đó là điều nguyên lý bất định cấm. Nhưng may mắn là ông không cần làm thế. Zeilinger gửi A cho Alice và B cho Bob (trên con tàu giả định). Tiếp theo, ông tạo photon X sao cho nó rối lượng tử với A (tức X cũng có vector phân cực vuông góc với vector A). Về mặt kỹ thuật, đó là phép đo trạng thái Bell, chứ không đo trạng thái phân cực của X, nên không vi phạm nguyên lý Heisenberg. Khi thấy A và X rối với nhau, Alice liền báo cho Bob. Và Bob biết ngay rằng photon B chính là bản sao của photon X mà Alice muốn viễn tải cho anh. Alice không đo đạc trạng thái lượng tử của A và X nên không vi phạm nguyên lý bất định (cô không biết hướng vector phân cực cụ thể của A và X, mà chỉ biết chúng vuông góc với nhau qua phép đo trạng thái Bell). Và viễn tải cũng không thể thực hiện nhanh hơn ánh sáng như giới ưa thích khoa học viễn tưởng mong muốn.
Các thí nghiệm tiếp sau

Anton Zeilinger, người biến viễn tải từ viễn tưởng thành hiện thực năm 1997.

Thí nghiệm Innsbruck thúc đẩy viễn tải lượng tử nói riêng, quang lượng tử nói chung phát triển vượt bậc trong thập kỷ qua. Như đã trình bày, điều cốt tử là tạo các trạng thái rối, không chỉ với photon, mà còn với các loại hạt khác. Đó là khó khăn cơ bản trong viễn tải.
Năm 2000, nhóm nghiên cứu ở Colorado (Mỹ) tạo được trạng thái rối cho dãy 4 ion beryllium trong bẫy sóng vô tuyến bằng cách gửi xung laser qua nó. Cũng trong năm 2000, giới khoa học Pháp cho từng nguyên tử rubidium qua một buồng quang học siêu dẫn và dùng vi sóng làm rối chúng với ánh sáng trong buồng. Năm 2001, nhóm nghiên cứu tại Đại học Arhus, Đan Mạch, tạo được trạng thái rối giữa các đám mây nguyên tử cesium khi bắn xung laser qua chúng.
Tháng 6-2002, W. Bowen tại Đại học quốc gia Úc viễn tải được một chùm laser. Trong đó, photon mục tiêu được “quét” thành công, các tính chất của nó được “sao chép” vào photon vận chuyển, cuối cùng nó được tái tạo thành công tại một địa điểm khác.
Năm 2004, độc lập với nhau, hai nhóm nghiên cứu của Đại học Innsbruck và Viện tiêu chuẩn và công nghệ quốc gia Mỹ, cùng viễn tải được các ion cesium và beryllium bằng các kỹ thuật khác nhau.
Tháng 10-2006, Eugene Polzik và đồng sự tại Viện Niels Bohr thuộc Đại học Copenhagen viễn tải một đối tượng chứa hàng ngàn tỷ nguyên tử. Họ truyền thông tin đi xa nửa mét. Theo Polzik, đây là bước đột phá, vì “lần đầu tiên, thí nghiệm liên quan với sự viễn tải giữa ánh sáng và vật chất, là hai đối tượng khác nhau”.
Kỷ lục viễn tải theo khoảng cách thuộc về Anton Zeilinger. Năm 2005, ông viễn tải photon 600 m dưới sông Danube. Năm 2007, ông viễn tải 144 km giữa hai đảo thuộc quần đảo Canary. Và tháng 2-2008, ông viễn tải ánh sáng từ Ajisai, một vệ tinh có độ cao tối đa là 1485 km 5.
Rào cản kĩ thuật của viễn tải lượng tử
Dù tiến bộ không ngừng trong việc gia tăng khoảng cách, các khó khăn kĩ thuật chưa bao giờ từ bỏ viễn tải lượng tử.
Thứ nhất, kịch bản viễn tải như đã trình bày chỉ là phiên bản “không chính xác”, vì chỉ thông tin về đối tượng được truyền giữa hai địa điểm. Dựa trên thông tin đó, tại nơi đến, một bản sao của đối tượng sẽ được tạo ra từ các “chất liệu thô”có sẵn. Tuy nhiên như Zeilinger nhấn mạnh, một bản sao hoàn hảo cũng chính là đối tượng, vì thông tin về cấu hình phân tử, chứ không phải chính các phân tử, mới quan trọng. Qua cả cuộc đời, các phân tử luôn được thay thế trong cơ thể ông, nhưng ông “vẫn là Zeilinger”.
Thứ hai, các kỉ lục truyền xa chỉ thuộc về photon; còn với các đối tượng khác (ion, virus…), khoảng cách có khi chỉ đạt vài milimét. Đó là khoảng cách không nhiều ý nghĩa thực tế (tội gì mất công viễn tải tách café đi xa vài chục milimét, trong khi chỉ cần vươn tay là được!). Có hai khó khăn liên quan với hạn chế này.
Đầu tiên là tạo các trạng thái rối. Với photon, có thể thực hiện điều đó khá dễ dàng. Nhưng với các đối tượng khác, nhất là khi chứa hàng ngàn tỉ nguyên tử, đó là khó khăn không dễ vượt qua. Tiếp theo, vì photon ít tương tác với không khí, nên thí nghiệm Innsbruck và các thí nghiệm dùng photon khác có thể thực hiện mở trong không khí. Với các hạt khác, cần thực hiện trong chân không để tránh nhiễu loạn. Nếu không khắc phục được khó khăn này, thông tin về đối tượng sẽ được truyền không chính xác, nên có thể không tạo được các bản sao hoàn hảo. Đó là lý do để Zeilinger tin rằng, phải 1000 năm nữa con người mới viễn tải được một tách café 6.
Có thể viễn tải con người hay không?
Sau thí nghiệm Innsbruck, giới ưa thích tiểu thuyết viễn tưởng rất hào hứng. Họ tin rằng kịch bản Star Trek có cơ sở để thành hiện thực trong tương lai, khi loài người đủ kỹ năng. Tuy nhiên tạp chí New Scientist đã làm nguội niềm phấn khích đó 7.
Để viễn tải, cần giải mã cấu trúc cơ thể, tức biến nó thành các hạt cơ bản. Khi đó cần một năng lượng tương đương 1000 quả bom hạt nhân, mỗi quả cỡ 100 triệu tấn TNT, để đạt nhiệt độ 100 tỉ độ Celcius (oC). Thông tin về cấu hình 1028 nguyên tử trong cơ thể chứa đầy số CD nhiều đến mức, có thể xếp chúng từ Trái Đất tới trung tâm Thiên Hà. Để truyền tin, với công nghệ năm 2006, cần thời gian 30 tỉ năm 6. Đó là khoảng thời gian gấp đôi tuổi vũ trụ. Và chỉ một trục trặc nhỏ là thay cho thuyền trưởng Kirk, ta có thể nhận được một dị nhân. Các công nghệ tương lai cũng không thể vượt qua những khó khăn đó.
Nói cách khác, dù các nguyên lý khoa học không cấm, nhưng viễn tải con người là bất khả về mặt kĩ thuật trong vũ trụ của chúng ta. Để thực hiện điều đó, cần một vũ trụ khác, với hệ qui luật vật lý khác, cho phép tạo ra các giải pháp kĩ thuật hoàn toàn khác.
Tương lai của tính toán lượng tử
Có lẽ ngoài các nghiên cứu vật lý thuần túy, ứng dụng hiện thực nhất của viễn tải lượng tử là tính toán lượng tử. Máy tính số kinh điển làm việc với các bit, được xác định bằng các số 0 và 1; còn máy tính lượng tử dùng bit lượng tử hay qubit. Qubit có thể ở trạng thái chồng chất lượng tử của 0 và 1, vì thế khác trong máy tính kinh điển, trong máy tính lượng tử, từng số 0 và 1 có thể tham gia đồng thời nhiều qubit khác nhau. Kết quả là máy tính kinh điển chỉ có thể chạy với lần lượt từng bộ số liệu đầu vào; trong khi máy tính lượng tử có thể làm việc đồng thời với hàng triệu bộ số liệu, mà vẫn chỉ dùng số qubit như số bit máy tính kinh điển cần khi tính với một bộ số liệu. Do đó máy tính lượng tử có thể tính nhanh hơn nhiều 8. Một vấn đề cơ bản là truyền dữ liệu lượng tử giữa các cổng logic hay các bộ xử lý. Viễn tải lượng tử là một giải pháp tốt. Vì thế giới khoa học cho rằng, viễn tải lượng tử có thể là tương lai của ngành tính toán.