Vật lý lượng tử 2019: 12 thí nghiệm kinh ngạc nhất

Các sự kiện ở quy mô nhỏ nhất có thể dẫn đến những hệ quả vô cùng to lớn. Và không có lĩnh vực khoa học nào chứng minh điều đó tốt hơn vật lý lượng tử thông qua việc khám phá những hành vi kỳ lạ của vật chất, chủ yếu là của những hạt rất nhỏ trong thế giới vi mô.

Trong năm 2019, các thí nghiệm lượng tử đã được thực hiện ở những địa hạt và tình huống mới, thậm chí là xa lạ. Dù còn một số tranh cãi, tính toán lượng tử đã tiến rất gần tới thực tế. Sau đây là 12 sự kiện lượng tử quan trọng và đáng ngạc nhiên nhất của năm 2019.

1. Google tuyên bố “uy quyền lượng tử”

Nếu có một tin tức nào về vật lý lượng tử trong năm 2019 có thể làm nên lịch sử, thì có lẽ đó sẽ là một thông báo trọng đại từ Google: Công ty công nghệ này tuyên bố rằng họ đã đạt được cái gọi là “uy quyền lượng tử” (“quantum supremacy”). Đó là một cách thú vị để nói rằng Google đã chế tạo được một máy tính lượng tử có thể thực hiện một số tác vụ nhất định nhanh hơn bất kỳ máy tính hiện hành (tức máy tính cổ điển) nào. Danh mục máy tính cổ điển bao gồm bất kỳ máy tính nào vận hành dựa trên các bit thông thường 0 và 1, chẳng hạn như thiết bị mà bạn đang sử dụng để đọc bài viết này.

Tuyên bố đã đạt được uy quyền lượng tử của Google, nếu là đúng, sẽ đánh dấu một bước ngoặt trong lịch sử tính toán. Máy tính lượng tử dựa vào các đặc tính vật lý kỳ lạ ở quy mô nhỏ, như rối lượng tử (quantum entanglement) và tính bất định (uncertainty) trong thế giới vi mô, để thực hiện các phép tính. Về lý thuyết, các đặc tính lượng tử đó mang lại cho các máy tính lượng tử những lợi thế nhất định so với máy tính cổ điển thông thường. Máy tính lượng tử có thể dễ dàng phá vỡ các hệ thống mã hóa cổ điển, truyền tin được mã hóa một cách hoàn hảo, thực hiện các bài toán mô phỏng nhanh hơn hẳn máy tính cổ điển và giải quyết được các vấn đề có độ phức tạp cao một cách dễ dàng. Vấn đề là chưa từng có ai tạo ra được một máy tính lượng tử thực thụ, đủ nhanh để tận dụng triệt để những lợi thế lý thuyết đó, ít nhất là cho đến thời điểm trước khi Google tuyên bố đã đạt được uy quyền lượng tử trong năm nay.

Tuy nhiên vẫn còn nhiều tranh cãi xung quanh tuyên bố này của Google, một số hoài nghi có thể tham khảo trong bài viết đăng trong LiveScience dưới nhan đề “Google’s Quantum Computer Just Aced an ‘Impossible’” [https://www.livescience.com/google-hits-quantum-supremacy.html]. 

2. Kilôgam lượng tử

Một bước ngoặt lượng tử khác của năm 2019 liên quan đến trọng lượng và đo lường. Từ hơn 130 năm nay, Kilôgam tiêu chuẩn, một vật thể xác định đơn vị của khối lượng cho tất cả các phép đo, là một hình trụ làm bằng bạch kim-iridi, nặng 2,2 pound và được đặt trong một căn phòng ở Pháp. Nhưng điều đó đã thay đổi trong năm 2019: đã có Kilôgam mới!

Kilôgam cũ (như vừa nói ở trên) là khá tốt, hầu như không thay đổi khối lượng trong nhiều thập kỷ. Nhưng Kilôgam mới, gọi là Kilôgam lượng tử, thì hoàn hảo: Dựa trên mối liên hệ cơ bản giữa khối lượng và năng lượng, cũng như hành vi kỳ lạ của năng lượng ở quy mô lượng tử, các nhà vật lý đã có thể đưa ra một định nghĩa về Kilôgam, hoàn toàn bất biến kể từ năm nay đến lúc kết thúc vũ trụ. Chi tiết hơn về Kilôgam lượng tử có thể xem trong bài viết đăng trong LiveScience dưới nhan đề “There’s a Brand-New Kilogram, And It’s Based on Quantum Physics” [https://www.livescience.com/65522-new-kilogram.html].

3. Sự thật có tính chủ quan

Một nhóm các nhà vật lý đã thiết kế một thí nghiệm lượng tử cho thấy các sự kiện thực sự xảy ra như thế nào là tùy theo cách nhận biết sự kiện đó của riêng bạn. Các nhà vật lý đã thực hiện một kiểu “tung đồng xu” bằng cách sử dụng các photon trong một máy tính lượng tử tí hon và phát hiện ra rằng các kết quả là khác nhau ở các máy dò khác nhau, tùy thuộc vào cách quan sát. 

“Chúng tôi cho thấy rằng, do các nguyên tử và các hạt cơ bản trong thế giới vi mô bị “cai trị” bởi các quy tắc kỳ lạ khác thường của cơ học lượng tử, nên hai nhà quan sát khác nhau sẽ nhận được các kết quả khác nhau. Nói cách khác, theo lý thuyết tốt nhất hiện nay của chúng ta về thế giới tự nhiên, sự thật thực ra có thể mang tính chủ quan,” các nhà thực nghiệm đã viết như thế trong một bài báo đăng trong LiveScience dưới nhan đề “Objective Reality Doesn’t Exist, Quantum Experiment Shows” [https://www.livescience.com/objective-reality-not-exist-quantum-physicists.html].

4. Rối lượng tử đã có sự quyến rũ của nó

Lần đầu tiên các nhà vật lý đã chụp được ảnh của rối lượng tử.

Lần đầu tiên, các nhà vật lý đã chụp được một bức ảnh về hiện tượng mà Albert Einstein đã mô tả như “tác động ma quỷ bất chấp khoảng cách” (“spooky action at a distance”), khi hai hạt vẫn duy trì mối tương quan vật lý với nhau cho dù đặt cách xa nhau bao nhiêu cũng được. Đặc tính này của thế giới lượng tử đã được kiểm chứng bằng thực nghiệm từ lâu, nhưng đây là lần đầu tiên người ta đã có thể nhìn thấy nó. Chi tiết hơn về sự quyến rũ này có thể xem trong bài viết đăng trong LiveScience dưới nhan đề “Spooky’ Quantum Entanglement Finally Captured in Stunning Photo” [https://www.livescience.com/65969-quantum-entanglement-photo.html].

5. Hai nghìn nguyên tử tồn tại ở hai nơi cùng một lúc

Theo một cách nào đó, ngược về mặt khái niệm với rối lượng tử, chồng chập lượng tử (quantum superposition) lại cho phép một vật thể có thể ở cả hai (hoặc nhiều hơn hai) vị trí cùng một lúc, một hệ quả của việc vật chất tồn tại đồng thời cả ở dạng hạt và cả ở dạng sóng. Thông thường, điều này đạt được với các hạt rất nhỏ như các điện tử.

 Một minh họa cho thấy hành vi lượng tử của các phân tử lớn, phức tạp: chúng đang lan ra như những gợn sóng trong không gian.

Tuy nhiên trong một thí nghiệm lượng tử của năm 2019, các nhà vật lý đã thành công trong việc tạo ra một sự chồng chập lượng tử ở quy mô lớn chưa từng có từ trước đến nay đối với các phân tử lớn cấu tạo từ hai nghìn nguyên tử (các phân tử này trong lĩnh vực y học được gọi là “oligo-tetraphenylporphyrin được làm giàu bởi các  chuỗi fluoroalkylsulfanyl.” Chi tiết hơn về thành tựu chồng chập lượng tử ở cấp độ vĩ mô này có thể xem bài đăng trong LiveScience dưới nhan đề “2,000 Atoms Exist in Two Places at Once in Unprecedented Quantum Experiment” [https://www.livescience.com/2000-atoms-in-two-places-at-once.html].

6. Nhiệt truyền xuyên qua chân không

Bình thường nhiệt chỉ có thể truyền qua chân không thông qua bức xạ ánh sáng. (Đó là những gì bạn cảm nhận được trong những ngày hè khi các tia nắng từ Mặt trời xuyên qua không gian và rọi vào mặt bạn.) Trong các trường hợp khác, theo các mô hình vật lý tiêu chuẩn, nhiệt truyền theo hai cách. Cách thứ nhất, các hạt có năng lượng có thể va đập vào các hạt khác và truyền năng lượng của chúng cho các hạt này. (Hãy quấn tay quanh một tách trà ấm để cảm nhận hiệu ứng này.) Cách thứ hai, một chất lỏng ấm có thể thay thế vị trí của một chất lỏng lạnh hơn. (Đó là những gì xảy ra khi bạn bật máy sưởi trong xe, làm không khí trong xe ấm dần lên.) Vì vậy, nếu không có bức xạ ánh sáng, nhiệt không thể truyền xuyên qua chân không.

Một bức ảnh của thiết bị thực nghiệm cho phép nhiệt truyền qua không gian trống rỗng.

Vật lý lượng tử, như vẫn thấy, lại phá vỡ các quy tắc truyền nhiệt nói trên. Trong một thí nghiệm lượng tử của năm 2019, các nhà vật lý đã vận dụng một tính chất thực tế của chân không ở quy mô lượng tử: chân không không thực sự trống rỗng mà chứa đầy những thăng giáng nhỏ (gọi là thăng giáng lượng tử), xuất hiện và biến mất một cách ngẫu nhiên. Ở quy mô đủ nhỏ, các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng nhiệt có thể truyền xuyên qua chân không bằng cách nhảy từ thăng giáng này sang thăng giáng tiếp theo xuyên qua một không gian trống rỗng (mà không hề có bức xạ ánh sáng). Có thể tìm hiểu thêm về sự “nhảy nhiệt” này qua bài viết đăng trong LiveScience dưới nhan đề “Physicists Use Bubbling Quantum Vacuum to Hopscotch Heat Across Empty Space” [https://www.livescience.com/quantum-vacuum-sends-heat.html].

7. Thứ tự nhân quả có thể bị đảo ngược

Phát hiện tiếp theo của năm 2019 là một phát hiện còn xa để có thể xem như một khám phá được kiểm chứng bằng thực nghiệm và thậm chí nó còn nằm ngoài “địa hạt” của vật lý lượng tử truyền thống. Nhưng các nhà nghiên cứu làm việc trong lĩnh vực hấp dẫn lượng tử (quantum gravity) – một cấu trúc lý thuyết được thiết kế để thống nhất cơ học lượng tử và thuyết tương đối rộng của Einstein – đã chỉ ra rằng, trong một số trường hợp, một sự kiện ở thời hiện tại có thể gây ra một hiệu ứng ở thời quá khứ. 

Theo thuyết tương đối rộng, một số vật thể siêu nặng có thể ảnh hưởng đến dòng thời gian trong vùng lân cận trực tiếp với chúng. Chúng ta biết điều này là đúng. Và sự chồng chập lượng tử cho phép các vật thể có thể ở nhiều nơi cùng một lúc. Các nhà nghiên cứu đã viết trong một bài đăng trong LiveScience dưới nhan đề “Quantum Gravity Could Reverse Cause and Effect”  [https://www.livescience.com/quantum-gravity-could-scramble-cause-and-effect.html] rằng, nếu đặt một vật thể rất nặng (như một hành tinh lớn chẳng hạn) vào một trạng thái chồng chập lượng tử, thì có thể thiết kế các kịch bản mà trong đó nguyên nhân và kết quả diễn ra không đúng theo thứ tự “nhân” trước “quả” sau như chúng ta vẫn hình dung, mà có sự đảo ngược theo thời gian của “nhân” và “quả”, tức là theo thứ tự “quả” trước “nhân” sau!

8. Chui hầm lượng tử được “bẻ khóa”

Các nhà vật lý đã làm được một thí nghiệm cho thấy tốc độ của một hạt có thể chui qua một rào cản, giải mã được một bí ẩn kéo dài hàng thập kỷ qua. 

Các nhà vật lý từ lâu đã biết về một hiệu ứng kỳ lạ được gọi là “chui hầm lượng tử”, trong đó các hạt dường như chui qua được các rào cản dường như không thể vượt qua. Trong năm 2019, một thí nghiệm lượng tử đã cho thấy điều này thực sự xảy ra như thế nào.

Theo vật lý lượng tử, các hạt đồng thời cũng là sóng và bạn có thể nghĩ về các sóng đó như là các dự đoán xác suất cho vị trí của hạt. Nhưng chúng vẫn là sóng. Nếu một làn sóng nước đập vào một rào cản trong đại dương, làn sóng đó sẽ mất một chút năng lượng, nhưng một làn sóng nhỏ hơn sẽ xuất hiện ở phía bên kia rào cản. Các nhà nghiên cứu đã tìm thấy một hiệu ứng tương tự xảy ra trong thế giới lượng tử. Và, miễn là có một chút xác suất để có thể xuất hiện ở phía bên kia của rào cản, hạt sẽ có cơ hội vượt qua rào cản, giống như chui qua một không gian nơi dường như không có “lối đi” nào. Chi tiết giải mã về hiệu ứng chui hầm lượng tử kỳ lạ này có thể xem trong bài viết đăng trong LiveScience dưới nhan đề “Truly Spooky: How Ghostly Quantum Particles Fly Through Barriers Almost Instantly” [https://www.livescience.com/65043-tunneling-quantum-particles.html].

9. Kim loại hydro có thể đã xuất hiện trên Trái đất

 Các nhà khoa học nghi ngờ những đám mây bên ngoài của sao Mộc đang che giấu những hồ kim loại hydro chịu áp suất lớn.

2019 cũng là một năm thành công lớn đối với vật lý siêu cao áp. Và một trong những tuyên bố táo bạo nhất là tuyên bố từ một phòng thí nghiệm của Pháp. Họ tuyên bố đã tạo ra được một chất thánh (holy grail substance) cho khoa học vật liệu: kim loại hydro (metallic hydrogen). Dưới áp lực đủ cao, chẳng hạn như áp lực được cho là tồn tại ở lõi của sao Mộc, các nguyên tử hydro đơn proton được cho là hoạt động như một kim loại kiềm. Nhưng từ trước tới nay chưa từng có ai tạo ra được áp lực đủ cao để có thể chứng minh cho hiệu ứng này trong phòng thí nghiệm. Trong năm 2019, nhóm nghiên cứu cho biết họ đã quan sát thấy nó, kim loại hydro, ở áp suất 425 gigapascal (gấp 4.2 triệu lần áp suất khí quyển của Trái đất ở mực nước biển). Để tìm hiểu thêm về kim loại hydro xem bài đăng trong LiveScience dưới nhan đề “After Decades of Hunting, Physicists Claim They’ve Made Quantum Material from Depths of Jupiter” [https://www.livescience.com/65827-metallic-hydrogen-claim.html].

10. Rùa lượng tử

Tác động từ trường lên một khối nguyên tử siêu lạnh và bạn sẽ thấy “pháo hoa lượng tử” (“quantum fireworks”): các tia nguyên tử bắn ra một cách rõ ràng theo các hướng ngẫu nhiên. Các nhà nghiên cứu nghi ngờ có thể có một mẫu hoa văn (pattern) trong đám pháo hoa, nhưng điều đó không hiển nhiên nếu chi đơn thuần là nhìn vào các đám pháo hoa. Với sự trợ giúp của máy tính, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra một hình dạng hoa văn trong hiệu ứng pháo hoa lượng tử: hoa văn có dạng một con rùa, gọi là rùa lượng tử. Tuy nhiên, vẫn còn chưa ai biết chắc chắn là tại sao nó, hình hoa văn, lại có dạng đó, dạng một con rùa. Để biết thêm về rùa lượng tử xem bài đăng trong LiveScience dưới nhan đề “A Computer Spotted a Turtle Hiding Out in a Cloud of ‘Quantum Fireworks’” [https://www.livescience.com/64744-quantum-fireworks-turtle-artificial-intelligence.html].

11. Một máy tính lượng tử tí hon đảo ngược thời gian

Thời gian được cho là chỉ trôi theo một hướng: về phía trước, về tương lai. Đổ một ít sữa trong cốc xuống đất, sẽ không có cách nào để làm khô hoàn toàn bụi bẩn và trả lại sữa sạch vào cốc. Hàm sóng lượng tử đã lan ra không thu lại được như lúc ban đầu.

Tuy vậy, sử dụng một máy tính lượng tử tí hon gồm hai qubit (quantum bit), các nhà vật lý đã có thể viết một thuật giải lượng tử (quantum algorithm) cho phép dựng lại từng gợn sóng của hạt đã tạo ra nó – tức là dựng lại sự kiện và quay ngược mũi tên thời gian một cách hiệu quả. Thông tin thêm về đảo ngược mũi tên thời gian có thể xem bài đăng trong LiveScience dưới nhan đề “Physicists Reverse Time for Tiny Particles Inside a Quantum Computer” [https://www.livescience.com/65000-quantum-computer-turns-back-time.html].

12. Một máy tính lượng tử khác nhìn thấy 16 tương lai

Các hạt ánh sáng nhỏ bé, các photon, có thể di chuyển đồng thời trong một chồng chập của nhiều trạng thái khác nhau. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng tính năng lượng tử kỳ lạ này để thiết kế một máy tính nguyên mẫu có thể dự đoán 16 tương lai khác nhau cùng một lúc.

Một tính năng tuyệt vời của máy tính lượng tử, dựa trên sự chồng chập của 0 và 1 thay vì chỉ là 0 hoặc 1, là khả năng thực hiện nhiều phép tính cùng một lúc (tức là có thể xử lý song song các số liệu). Lợi thế đó được hiển thị đầy đủ trong một động cơ dự đoán lượng tử (quantum prediction engine) mới, vừa được phát triển trong năm 2019. Mô phỏng một loạt các sự kiện có xâu chuỗi với nhau, các nhà nghiên cứu có thể mã hóa 16 tương lai khả dĩ trên một photon duy nhất trong động cơ dự đoán lượng tử của họ. Động cơ lượng tử như vậy gọi là động cơ đa nhiệm vụ, tức là cùng một lúc thực hiện nhiều nhiệm vụ khác nhau! Có thể đọc thêm về động cơ lượng tử đa nhiệm vụ này trong bài đăng trong LiveScience “This Quantum Computer Can See the Future — All 16 of Them” [https://www.livescience.com/65271-quantum-computer-sees-16-futures.html]. □

Nguyễn Bá Ân dịch
Nguồn: https://www.livescience.com/most-important-surprising-quantum-physics-of-2019.html