Quantum entanglement: Từ tác động ma quái từ xa đến công nghệ tương lai

Các nguyên tắc cơ bản của cơ học lượng tử không chỉ là một vấn đề mang tính lý thuyết hay triết học. Công cuộc nghiên cứu và phát triển mãnh liệt đang được tiến hành, tận dụng các tính chất đặc biệt của các hệ thống hạt riêng lẻ để xây dựng máy tính lượng tử, cải thiện đo lường, xây dựng mạng lượng tử và thiết lập an toàn thông tin bằng mã hóa lượng tử.

Nhiều ứng dụng dựa trên cách cơ học lượng tử cho phép hai hoặc nhiều hạt tồn tại ở trạng thái chung, bất kể chúng cách nhau bao xa. Trạng thái này được gọi là liên kết lượng tử (quantum entanglement), và là một trong những yếu tố gây tranh cãi nhất của cơ học lượng tử kể từ khi lý thuyết được hình thành.

Qua các thí nghiệm mang tính đột phá, Alain Aspect, John Clauser và Anton Zeilinger đã chứng minh tiềm năng khảo sát và kiểm soát các hạt ở trạng thái liên kết. Các thí nghiệm của họ đã đặt nền móng cho một kỷ nguyên mới về công nghệ lượng tử, và nhờ vậy đã đoạt giải Nobel Vật lý 2022.

Vào năm 1935, trong bài báo Thảo luận về mối quan hệ xác suất giữa các hệ thống riêng biệt của mình, Erwin Schrödinger đã mô tả khi hai đại diện của hai hệ thống, ví dụ hai hạt photon, tạm thời tương tác lẫn nhau. Sau một thời gian ngắn ảnh hưởng lên nhau và tách ra, chúng sẽ được biểu diễn bằng một hàm sóng không thể tách rời. Hay nói cách khác, chúng trở nên liên kết với nhau. Ông viết:

Ngay từ lúc khởi đầu của cơ học lượng tử, các electron trong nguyên tử đã được công nhận có liên kết với nhau do tương tác tĩnh điện tương hỗ giữa chúng. Trường hợp đơn giản nhất là nguyên tử heli, có hai electron. Để xác định quang phổ của heli, phải tính đến các hiệu ứng liên kết, và tính toán thành công lần đầu tiên được thực hiện bởi Hylleraas vào năm 1928. Tuy nhiên, phép tính đầu tiên này không phải là thứ khiến Schrödinger gọi mối liên kết là đặc trưng của cơ học lượng tử. Thay vào đó, ông hướng đến một bài báo xuất bản năm 1935 của Albert Einstein, Boris Podolsky và Nathan Rosen.

Bài báo nổi tiếng này mô tả những hệ quả có vẻ nghịch lý về mối liên kết giữa các hạt, khi mà chúng ở rất xa nhau khiến cho bất kỳ tương tác nào giữa chúng đều có thể bị bỏ qua hoàn toàn. Trong một bài báo khác cũng vào năm 1935, Schrödinger mô tả thêm về một nghịch lý bổ sung, khó có thể chối cãi, liên quan đến mối liên kết giữa một hệ vi mô và một hệ vĩ mô, mà chúng ta thường biết đến với cái tên Con mèo của Schrödinger.

Khái niệm cơ bản trong thí nghiệm tưởng tượng EPR là đo các hạt đại diện cách xa nhau của một cặp liên kết bằng cách sử dụng các toán tử không giao hoán.

Các cặp hạt liên kết được chuẩn bị trong trạng thái spin đồng nhất và được gửi theo hướng ngược nhau từ nguồn S. Trong hình, các cặp liên kết được nối với nhau bằng các đường cong nét đứt màu đỏ. Hướng spin của mỗi hạt, trong trạng thái ban đầu, là hoàn toàn không xác định. Ở một khoảng cách nào đó so với nguồn, một hạt của cặp đi qua một thiết bị đo (cửa sổ màu xanh) do A (hoặc Alice) vận hành để tiến hành đo spin theo phương z (mũi tên màu xanh). Sau khi đi qua thiết bị đo, hạt xuất hiện với spin lượng tử theo phương z, với spin hướng lên, như thể hiện trong hình, hoặc spin hướng xuống. Do sự tương quan đối xứng chặt chẽ về hướng spin giữa các hạt cùng cặp, cùng lúc hạt A xuất hiện với spin hướng lên theo phương z, thì hạt B (hoặc Bob) sẽ xuất hiện với spin hướng xuống theo phương z. Bằng cách này, phép đo do A thực hiện đạt hiệu quả tương đương với phép đo lên hạt còn lại (thể hiện bằng cửa sổ nét đứt màu xanh) ngay cả khi không có thiết bị đo nào tác động lên hạt này. Nghịch lý EPR xuất hiện nếu B chọn đo theo phương x (mũi tên đỏ). Khi đó, spin của hai hạt có phương vuông góc với nhau, và rõ ràng mâu thuẫn với cơ học lượng tử (vì spin của cặp hạt không còn đối xứng nữa).

Einstein, Podolsky và Rosen kết luận:

Rõ ràng, Einstein và các đồng nghiệp trẻ của ông tin vào kết luận thứ nhất. Chắc hẳn hàm sóng của cơ học lượng tử còn thiếu các biến ẩn, các chỉ lệnh bí mật cho các hạt biết chúng nên đưa ra kết quả nào trong thí nghiệm. Tức là spin của hạt A và B được ấn định hướng lên hoặc xuống ngay từ đầu, trước khi chúng được phát ra từ nguồn S, chứ không có mối liên kết nào cả.

Một phiên bản mô phỏng thí nghiệm sử dụng màu sắc thay vì spin. Trong đó, các cặp liên kết của cơ học lượng tử có thể được so sánh với một cỗ máy ném ra những quả cầu có màu ngược nhau theo hướng ngược nhau. Khi Bob bắt một quả cầu và thấy nó có màu đen, anh biết ngay rằng Alice đã bắt được một quả cầu màu trắng. Trong lý thuyết sử dụng các biến ẩn, các quả cầu luôn chứa thông tin ẩn về màu sắc sẽ hiển thị. Tuy nhiên, cơ học lượng tử cho rằng các quả cầu có màu xám (tức màu không xác định) cho đến khi ai đó nhìn vào chúng, khi đó một quả ngẫu nhiên chuyển sang màu trắng và quả còn lại màu đen.

Đây quả thực là quan điểm của Niels Bohr. Ông viết một câu trả lời lập luận rằng hàm sóng của cơ học lượng tử hoàn toàn chính xác khi tiên nghiệm ra liên kết lượng tử, một hạt hoàn toàn có thể ảnh hưởng đến hạt còn lại ngay tức khắc. Và Einstein đáp lại rằng:

Đối với Einstein, tác động ma quái từ xa này mâu thuẫn với khái niệm cơ bản nhất mà chúng ta sử dụng để mô tả thực tại là không gian. Các vật thể, các hạt, mọi thứ tồn tại đều nằm trong không gian. Không gian, cùng với thời gian, là thành phần chính trong thuyết tương đối hẹp của ông, với phương trình nổi tiếng E = mc2.

Là bậc thầy về không thời gian, Einstein nghĩ rằng nếu có một sự kiện xảy ra ở chỗ này, nó không nên ngay lập tức tác động đến một sự kiện diễn ra ở chỗ khác. Đây được gọi là nguyên tắc cục bộ (principle of locality).

Theo Einstein, để vật thể này tác động đến vật kia trong không gian, thì phải có thứ gì đó tương tác giữa chúng. Và tương tác đó cần thời gian di chuyển. Các hạt lượng tử hành động đồng thời có thể được giải thích bằng cách chúng đang giao tiếp với nhau. Một hạt ngay lập tức gửi tín hiệu cho hạt kia, cho nó biết nó nên có những thuộc tính gì. Nhưng như vậy sẽ yêu cầu tín hiệu phải di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng, điều mà thuyết tương đối hẹp của Einstein đã chứng minh là bất khả thi.

Cuộc tranh luận nảy lửa giữa hai ngôi sao sáng chói của vật lý hiện đại này sẽ là nền móng hình thành nên sự hiểu biết về cơ học lượng tử cho các thế hệ nhà vật lý tiếp theo.

Hầu hết các nhà vật lý đang hoạt động, nếu họ quan tâm đến vấn đề này, đều đứng về phía Bohr, và đặc biệt là sau khi John von Neumann đưa ra một bằng chứng cho thấy không thể bổ sung cho cơ học lượng tử những biến ẩn để có thể xác định kết quả của bất kỳ thí nghiệm nào. Tuy nhiên, một số người vẫn tiếp tục nghĩ ngợi về các vấn đề liên quan đến nền tảng và cách luận giải của cơ học lượng tử.

Ví dụ, vào năm 1957, Hugh Everett đã đề xuất luận giải đa-thế-giới của cơ học lượng tử như một giải pháp thay thế cho luận giải Copenhagen đang thịnh hành lúc bấy giờ. Luận giải Copenhagen có nhiều biến thể khác nhau, nhưng về cơ bản, theo Bohr, là có sự khác biệt rõ rệt giữa các hiện tượng vi mô được mô tả bởi cơ học lượng tử và các máy dò vĩ mô được sử dụng để nghiên cứu chúng, được cho là tuân theo các định luật vật lý cổ điển.

Luận giải đa-thế-giới (thường được biết đến với cái tên đa vũ trụ) không có nhiều biến thể như vậy, mà thay vào đó, mang ý nghĩa rằng bất cứ khi nào một phép đo diễn ra, một thế giới khác sẽ được tạo ra và không có mối liên hệ nào giữa các thế giới khác nhau. Theo luận giải này, con mèo của Schrödinger sẽ sống ở thế giới này và chết ở thế giới khác.

Tuy nhiên, có một biến thể khác cho luận giải Copenhagen là Bohmian hay phiên bản sóng tất định (pilot-wave) của cơ học lượng tử. Đây là một lý thuyết tất định hoàn chỉnh, tái tạo các kết quả của cơ học lượng tử phi tương đối, nhưng với cái giá phải trả là phi cục bộ (non-locality).

Bởi vì các lý thuyết của Bohm và Everett không đưa ra bất kỳ tiên nghiệm nào có thể kiểm chứng bằng thực nghiệm, không giống với cơ học lượng tử tiêu chuẩn, nên hầu hết các nhà vật lý coi những loại đề xuất này khá hão huyền, và tốt nhất chỉ để thảo luận trong giờ giải lao hoặc trong triết học và lịch sử các khoa khoa học. Đây bối cảnh của sự việc vào năm 1964 khi John Bell xuất bản bài báo Về nghịch lý Einstein Podolsky Rosen.

Bell đã chỉ ra chứng minh của von Neumann không chính xác (ông đã đưa ra chứng minh cho phát biểu này trong một ấn phẩm sau này), và ông cũng xây dựng bất đẳng thức Bell đầu tiên, một khám phá lý thuyết ngoạn mục. Sử dụng một phiên bản đặc biệt của thí nghiệm tưởng tượng Bohmian-EPR, về mặt toán học, ông đã chỉ ra không lý thuyết dựa trên các biến ẩn cục bộ nào có thể tái lập tất cả các kết quả của cơ học lượng tử.

Với minh họa toán học này, Bell đã cung cấp bằng chứng về những khẳng định của Bohr và Schrödinger, và do đó cho thấy mọi nỗ lực xây dựng một mô hình thực tại cục bộ của các hiện tượng lượng tử đều sẽ thất bại. Bell đã sử dụng các từ cục bộ và thực tại ở đây theo nghĩa chuyên môn: Từ đầu tiên chỉ ra tính bất khả thi của tín hiệu tức thời, bị giới hạn bởi tốc độ hữu hạn của ánh sáng, và từ thứ hai mang nghĩa kết quả của bất kỳ thí nghiệm nào được xác định hoàn toàn bởi các thuộc tính của hệ thống, thường là được gọi là biến ẩn, tồn tại độc lập với bất kỳ phép đo thực tế hoặc tiềm năng nào.

Đầu tiên Bell rút ra một bất đẳng thức cho một hàm tương quan nhất định mà bất kỳ lý thuyết thực tại cục bộ nào cũng phải tuân theo, và sau đó ông chỉ ra rằng đối với một số điều kiện thực nghiệm, các tiên đoán của cơ học lượng tử vi phạm bất đẳng thức này. Nếu thí nghiệm của ông được lặp đi lặp lại nhiều lần, tất cả các lý thuyết với các biến ẩn cho thấy mối tương quan giữa các kết quả phải thấp hơn hoặc bằng một giá trị cụ thể. Tuy nhiên, thí nghiệm tưởng tượng mà Bell xem xét không phù hợp với thực nghiệm, đơn giản vì nó đưa ra các giả định về máy dò không thể chứng minh bằng thiết bị thực.

Trở ngại này được loại bỏ vào năm 1969 bởi John Clauser, Michael Horne, Abner Shimony và Richard Holt (CHSH): Họ đề xuất một biến thể của bất đẳng thức Bell mà thực sự có thể kiểm tra được bằng một thí nghiệm trên các photon liên kết, sử dụng công nghệ hiện có.

Thí nghiệm tưởng tượng CHSH khác với EPR ở chỗ Alice có thể thực hiện hai thí nghiệm khác nhau, ký hiệu là a1 và a2 (thường là phép đo spin theo hai hướng khác nhau); tương tự, Bob có thể đo b1 hoặc b2. Giả sử theo thực tại cục bộ, kết quả phép đo người ta thu được đối với từng hệ lượng tử riêng lẻ sẽ được xác định rõ ngay cả khi phép đo không được thực hiện. Cơ học lượng tử không tiên nghiệm kết quả của các phép đo, nhưng chúng vẫn nên được coi là các yếu tố thực tại theo nghĩa EPR.

Nguồn S tạo ra các cặp photon liên kết, được gửi ngược chiều nhau. Mỗi photon sẽ gặp một bộ phân cực lưỡng kênh mà hướng của chúng có thể được cài đặt bởi Alice và Bob. Các tín hiệu xuất hiện từ mỗi kênh được dò bởi một máy dò photon riêng biệt D+ và D-, và sự trùng lặp sẽ được đếm bởi máy dò.

Thí nghiệm có thể được lặp lại nhiều lần, và cho mỗi trường hợp: Alice chọn đo a1 hoặc a2, và Bob chọn đo b1 hoặc b2. Chúng ta có thể thu được mối tương quan giữa các kết quả đo lường chỉ bằng cách lấy trung bình cộng của các phép đo. Sau đó, chúng ta có thể so sánh kết quả này với tiên nghiệm của lý thuyết lượng tử, (và thấy rằng) CHSH rõ ràng vi phạm bất đẳng thức Bell.

Câu chuyện có lẽ đã dừng lại ở đây. Một số người cho rằng cơ học lượng tử thật kỳ lạ, con mèo của Schrödinger thật quái gở, …. Nhưng họ gác lại suy nghĩ ấy vì bất chấp sự quái gở đó, tất cả dường như đều hoạt động. Vậy nên vào thời điểm đó, khuynh hướng của cộng đồng nghiên cứu là tiếp tục sử dụng cơ học lượng tử để nghiên cứu các hiện tượng mới và thú vị.

Thật vậy, ban đầu rất ít người chú ý đến công trình của Bell. Tuy nhiên số ít đó đã lo nghĩ: Phải chăng cơ học lượng tử không phải lúc nào cũng hoạt động? Còn việc thực hiện một thí nghiệm kiểm tra cơ học lượng tử trong tình huống mà nó mâu thuẫn với thực tại cục bộ thì sao? Đây rõ ràng là những câu hỏi đằng sau công trình CHSH, và Clauser, một trong những tác giả, đã bắt đầu thực hiện thí nghiệm, cùng với Stuart Freedman (1944–2012).

Clauser có kiến thức nền tảng về vật lý thiên văn phân tử từ luận án tiến sĩ của ông, thực hiện với người cố vấn Pat Thaddeus tại Đại học Columbia ở Thành phố New York. Khi còn là nghiên cứu sinh, ông đã quan tâm đến nền tảng của cơ học lượng tử. Do đó, khi đến Đại học California, Berkeley (UC Berkeley), để làm nghiên cứu sinh sau tiến sĩ với Charles Townes vào năm 1970, Clauser đã chuẩn bị sẵn tâm thế. Ông biết rằng Carl Kocher đã chế tạo thiết bị thí nghiệm như một phần luận án tiến sĩ của mình tại UC Berkeley vào năm 1967, để nghiên cứu mối tương quan thời gian giữa các cặp photon bắt nguồn từ một nguồn chung.

Clauser nghĩ rằng thiết bị thí nghiệm này có thể tái sử dụng và cải tiến để kiểm chứng bất đẳng thức Bell–CHSH. Vấn đề là Townes đã thuê Clauser về làm thiên văn vô tuyến và tìm kiếm các phân tử trong môi trường liên sao, một lĩnh vực nghiên cứu mà Townes đã đi tiên phong.

Luận án tiến sĩ của Kocher, được cố vấn bởi Eugene Commins, cho thấy rõ ông đã nhận thức được bất đẳng thức Bell, nhưng với các góc độ ông chọn, ông không thể kiểm chứng bất đẳng thức. Kocher đã rời UC Berkeley khi Clauser đến, nhưng các thiết bị thí nghiệm của ông vẫn còn đó trong phòng thí nghiệm.

Lúc này, Clauser nhận thức rõ ràng rằng chưa có thí nghiệm nào trước đó kiểm chứng bất đẳng thức Bell–CHSH. Ông khiến Townes chú ý đến, và Townes đã thỏa thuận với cả Clauser và Commins: Clauser có thể làm việc bán thời gian để kiểm chứng bất đẳng thức Bell và nghiên cứu sinh của Commins vào thời điểm đó, Freedman, được phép làm việc cùng với Clauser.

Clauser và Freedman xác định các bản phân cực là điểm yếu trong thí nghiệm của Kocher. Sự kém hiệu quả của các bản phân cực sẽ làm cho việc thực hiện thí nghiệm ở một số góc khác nhau giữa các bản phân cực tốn rất nhiều thời gian. Thay vào đó, hai nhà nghiên cứu đã chọn các bản phân cực đĩa-chồng (pile-of-plates), có hiệu quả tốt hơn nhiều. Freedman và Clauser đã mất hai năm xây dựng lại thí nghiệm của Kocher để nó có thể kiểm tra bất đẳng thức Bell–CHSH, và khoảng 200 giờ để ghi nhận dữ liệu.

Nếu cả hai hạt trong thí nghiệm được gửi tới các bộ lọc được định hướng trong cùng một mặt phẳng, chẳng hạn như theo chiều dọc, và một hạt trượt qua – thì hạt kia cũng sẽ đi qua. Nếu chúng vuông góc với nhau, một hạt sẽ dừng lại trong khi hạt kia sẽ đi qua. Thủ thuật ở đây là đo hạt bằng các bộ lọc được đặt theo các hướng khác nhau ở các góc nghiêng, khi đó kết quả có thể khác nhau: Đôi khi cả hai hạt đều trượt qua, đôi khi chỉ một hạt và đôi khi không có hạt nào. Tần suất cả hai hạt đi qua bộ lọc phụ thuộc vào góc giữa các bộ lọc.

Năm 1972, Clauser cùng Freedman đã có thể chỉ ra một kết quả có mối tương quan mạnh hơn so với nếu kết quả bị chi phối bởi các biến ẩn, hoặc được xác định trước khi các hạt được phát ra, vi phạm rõ ràng bất đẳng thức Bell và đồng tình với các tiên nghiệm của cơ học lượng tử.

Trong những năm sau đó, John Clauser và các nhà vật lý khác tiếp tục thảo luận về thí nghiệm này và những hạn chế của nó. Một trong số đó là thí nghiệm nhìn chung không hiệu quả, xét cả về mặt tạo ra lẫn thu giữ các hạt. Việc đo lường cũng được thiết lập sẵn, với các bộ lọc ở các góc cố định. Do đó, vẫn còn những lỗ hổng, trong đó một người quan sát có thể đặt câu hỏi về kết quả: Điều gì sẽ xảy ra nếu thiết lập thí nghiệm, theo một cách nào đó, đã chọn các hạt tình cờ có mối tương quan mạnh và không dò ra các hạt khác? Nếu vậy, các hạt vẫn có thể mang thông tin ẩn.

Và đây cũng là mối quan tâm đặc biệt của chính Bell với giả định: Hai người quan sát, Alice và Bob, phải đưa ra những lựa chọn ngẫu nhiên một cách độc lập với nhau về những gì cần đo lường.

Để điều này đúng, người ta phải đảm bảo rằng Alice không thể gửi tin nhắn cho Bob rằng a1 hay a2 sẽ được đo, trước khi Bob quyết định đo b1 hoặc b2. Nói cách khác, Alice sẽ không ảnh hưởng đến các lựa chọn của Bob. Giả sử thuyết tương đối hẹp là đúng, thì điều kiện cục bộ này đảm bảo một thông điệp như vậy sẽ phải truyền đi với tốc độ lớn hơn tốc độ ánh sáng. Ngoài ra còn có một số giả định khác mà chúng ta sẽ thảo luận ngắn gọn trong phần sau.

Alain Aspect là người đầu tiên thiết kế một thí nghiệm tránh được lỗ hổng cục bộ. Năm 1981 và 1982, cùng với các cộng tác viên Philippe Grangier, Gérard Roger và Jean Dalibard, Aspect đã thực hiện một loạt thí nghiệm sử dụng các kỹ thuật cải tiến và dụng cụ mới. Ông đã thiết lập một vi phạm bất đẳng thức Bell với độ chính xác rất cao, hàng chục độ lệch chuẩn, so với sáu độ lệch chuẩn trong thí nghiệm Freedman–Clauser. Quan trọng hơn, Aspect đảm bảo tính độc lập của Alice và Bob bằng cách sử dụng cài đặt phân cực thay đổi ngẫu nhiên trong thời gian bay của các photon giữa các máy dò.

Trong thí nghiệm đầu tiên, hai hệ thống laser được sử dụng để kích thích trực tiếp bằng cách hấp thụ hai photon. Điều này hiệu quả hơn nhiều so với việc sử dụng đèn hồ quang deuterium để tạo ra trạng thái kích thích thông qua quá trình chuyển đổi mức năng lượng electron của nguồn calci.

Trong thí nghiệm tiếp theo, Aspect và các cộng tác viên đã sử dụng bộ phân cực lưỡng kênh trong các phép đo lưỡng sắc. Điều này cho phép họ có được số liệu thống kê vượt trội và đạt vi phạm bất đẳng thức Bell lớn nhất vào thời điểm đó.

Tuy nhiên, thí nghiệm thứ ba đã thu hút được nhiều sự chú ý nhất. Việc xoay hướng của các bản phân cực được biết là bất khả thi, trong khoảng thời gian so sánh được, với thời gian bay của photon. Với khoảng cách 6m từ nguồn đến mỗi bản phân cực, thời gian xoay các bản phân cực phải dưới 20 nano giây (ns). Năm 1976, Aspect đề xuất một thí nghiệm trong đó các thiết bị quang âm (acousto-optical) có thể được sử dụng để chuyển các photon thành hai nhánh khác nhau trong khoảng thời gian ngắn hơn 20ns.

Các photon do nguồn calci dây chuyền (calcium cascade) phát ra trước tiên gặp các công tắc quang học CI và CII, nơi chúng có thể được truyền tới các bộ phân cực và máy dò PM1 và PM2, hoặc bị phản xạ tới bộ phân cực và máy dò PM1’ và PM2’. Sự chuyển đổi giữa hai kênh xảy ra khoảng 10ns một lần. Khoảng cách giữa các bản phân cực là 12m. Công tắc quang học là sóng dừng siêu âm, do sự giao thoa giữa các sóng âm truyền ngược chiều, được tạo ra bởi hai bộ chuyển đổi điện âm.

Quang học trong thí nghiệm này phức tạp hơn nhiều so với các thí nghiệm trước đó, và chỉ sử dụng các bộ phân cực đơn kênh. Tuy nhiên, thí nghiệm này không lý tưởng, vì khoảng cách giữa các bản phân cực quá nhỏ để cho phép các cài đặt thực sự ngẫu nhiên giữa chúng. Phải mất hơn 15 năm trước khi nhóm của Anton Zeilinger có thể kiểm chứng bất đẳng thức trong các điều kiện cục bộ nghiêm ngặt, với các quan sát viên cách nhau 400m và với một số cải tiến kỹ thuật khác.

Các thí nghiệm của Clauser và Aspect đã mở rộng tầm mắt của cộng đồng vật lý về tầm quan trọng sâu sắc của mối liên kết, và chúng đã cung cấp các công cụ để sử dụng các photon cách xa nhau nhưng vẫn liên kết với nhau, chẳng hạn như các cặp Bell. Tiềm lực này đã trở thành trung tâm của lĩnh vực khoa học thông tin lượng tử đang phát triển nhanh chóng.

Bây giờ chúng ta sẽ thảo luận về một số phát triển nổi bật trong 40 năm qua kể từ thí nghiệm đầu tiên của Aspect. Các ví dụ đề cập đến cả những khám phá cơ bản trong vật lý lượng tử lẫn các kết quả có liên quan trực tiếp đến các ứng dụng thực tiễn.

Từ các kết quả nghiên cứu, chúng ta đúc kết được định lý chống nhân bản, theo đó không có phép biến đổi đồng nhất nào có thể tạo ra một bản sao của trạng thái lượng tử tùy ý trong khi vẫn giữ nguyên bản gốc. Do đó, các trạng thái lượng tử không thể được sao chép. Nghĩa là chúng ta có khả năng dịch chuyển tức thời một trạng thái lượng tử tùy ý từ vị trí này sang vị trí khác, miễn là bản gốc bị phá hủy. Đề xuất đầu tiên về cách thực hiện điều này được đưa ra vào năm 1993 bởi Bennett, và các thí nghiệm đầu tiên được thực hiện vào năm 1997 bởi nhóm của Anton Zeilinger và Francesco De Martini.

Một hiện tượng liên quan chặt chẽ khác là hoán đổi liên kết, có tầm quan trọng thực tiễn đối với truyền thông lượng tử. Trong một sự kiện hoán đổi, một nguồn phát ra các photon 1 và 2 ở trạng thái Bell, và một nguồn khác phát ra các photon 3 và 4 ở trạng thái Bell khác. Các photon 1 và 4 lần lượt được nhận bởi Alice và Bob, trong khi 2 và 3 được sắp xếp để đồng thời gặp nhau tại C (hoặc Cecilia).

Trong bước tiếp theo, Cecilia thực hiện một phép đo chung, chiếu vào một trong bốn trạng thái Bell của 2 và 3, và như trong trường hợp dịch chuyển tức thời, phép đo này giờ đây có thể được chọn để chiếu vào một trạng thái Bell cụ thể, tạm gọi là Bell-23. Do đó, mặc dù chúng chưa bao giờ tương tác với nhau, nhưng các photon 1 và 4 sẽ liên kết với nhau, và Alice và Bob có chung một cặp Bell.

Cuộc thảo luận đầu tiên về khả năng này được khởi xướng bởi Bennett. Sau đó trong cùng năm, Marek Zukowski, Zeilinger, Horne và Artur Ekert đã đặt ra thuật ngữ hoán đổi liên kết, và thông qua một sự kiện khởi đầu, chỉ ra cách để có thể sử dụng nó để quyết định khi nào một cặp liên kết được tạo ra. Thí nghiệm đầu tiên chứng minh điều này được công bố năm 1998 bởi Jian-Wei Pan, Dik Bouwmeester, Harald Weinfurter và Zeilinger.

Một xung UV đi qua tinh thể BBO (β-BaB2O4) tạo ra các cặp photon tán xạ liên kết 1 và 2. Sau khi phản xạ, trong lần thứ hai nó đi qua tinh thể, cặp photon liên kết thứ hai, 3 và 4, được tạo ra. Photon 2 và 3 được hướng tới gương bán mạ trong hộp màu xám phía trên. Khi có sự trùng lặp giữa các photon 2 và 3, chúng được chiếu vào (hoặc sụp đổ thành) trạng thái Bell-23. Phép chiếu này dẫn đến các photon 1 và 4 trở nên liên kết. Để chứng minh mối liên kết giữa các photon 1 và 4, chúng ta sẽ khảo sát sự trùng lặp giữa các máy dò D4 và D1+ và D4 và D1.

Một mục tiêu quan trọng của công nghệ lượng tử là có thể phân phối mối liên kết trên những khoảng cách rất lớn, để truyền tải thông tin lượng tử. Phương pháp đơn giản nhất là sử dụng sợi quang học, nhưng sẽ gặp phải vấn đề ánh sáng bị khuếch tán, khi đó trung bình mỗi mỗi giây một photon sẽ bị thất thoát trong sợi quang dài 10km. Trong các mạng truyền thông cổ điển, vấn đề được giải quyết bằng cách đặt các bộ khuếch đại dọc theo các điểm liên kết sợi quang. Do định lý chống nhân bản, điều này là bất khả thi trong trường hợp lượng tử, vì các bộ khuếch đại cổ điển hoạt động bằng cách tạo ra nhiều bản sao của thông điệp gốc một cách hiệu quả. Có hai cách để giải quyết vấn đề thất thoát này.

Giải pháp đơn giản nhất là tránh thất thoát bằng cách gửi tín hiệu qua không gian bằng vệ tinh. Vì độ sâu hiệu dụng của bầu khí quyển là khoảng 10km, và sự thất thoát trong không gian trống là rất nhỏ, người ta có thể thiết lập mối liên kết trên những khoảng cách rất lớn. Cách tiếp cận này được dẫn đầu bởi một nhóm do Jian-Wei Pan dẫn đầu, sử dụng vệ tinh liên lạc lượng tử đầu tiên, Micius, do Trung Quốc phóng lên vào năm 2016.

Pan và các đồng nghiệp đã chứng minh sự phân bố dựa trên vệ tinh của các cặp photon liên kết giữa hai địa điểm cách nhau 1203km trên Trái Đất, thông qua hai đường truyền vệ tinh nối đất với tổng chiều dài trong khoảng 1600 đến 2400km. Họ quan sát thấy sự tồn tại của mối liên kết giữa hai photon và sự vi phạm bất đẳng thức Bell. Sau đó, với sự cộng tác của nhóm Zeilinger, họ đã sử dụng cũng vệ tinh đó làm thiết bị chuyển tiếp tin cậy để phân phối khóa bảo mật giữa Bắc Kinh và Vienna. Với một vệ tinh có quỹ đạo cao hơn, đang được chế tạo, sẽ có thể phân phối trực tiếp các cặp photon liên kết trên 10000km.

Cách tiếp cận thứ hai là sử dụng các bộ lặp lượng tử (quantum repeaters), là các thiết bị dựa trên sự hoán đổi lượng tử, để truyền thông lượng tử đường dài. Các bộ lặp có thể chia đường dây thành các phần ngắn hơn và cho phép sử dụng hoán đổi để chuyển mối liên kết từ Alice sang Bob thông qua một số nút. Ngoài một giao thức hoán đổi hiệu quả, người ta cũng cần có bộ nhớ lượng tử tốt, vì Alice phải lưu trữ trạng thái của mình cho đến khi nó liên kết với Bob, xảy ra sau một số sự kiện hoán đổi. Việc kết hợp các công nghệ này có thể dẫn đến việc xây dựng một mạng lượng tử toàn cầu, trong đó các nút ở xa sẽ được kết nối bằng vệ tinh, rồi kết nối với các nút lân cận thông qua sợi quang và bộ lặp lượng tử.

Cho đến nay, chúng ta mới chỉ thảo luận về các cặp Bell, hay trạng thái liên kết của hai hạt. Tuy nhiên, liên kết là một tính chất cơ bản của bất kỳ trạng thái tương tác lượng tử nào. Một vấn đề quan trọng trong vật lý vật chất ngưng tụ là phân loại các trạng thái cơ bản có thể có của các hệ thống có nhiều electron, và đặc biệt là những trạng thái liên quan đến các vật liệu topo được phát hiện gần đây. Một sự phân loại về mặt liên kết có thể mang lại sự phân biệt rõ ràng giữa các pha khác nhau của vật chất, và một đại lượng gọi là entropy liên kết có thể được sử dụng để xác định nhiều trong số chúng.

Mối liên kết có kiểm soát hoàn toàn không bị giới hạn ở các trạng thái phân cực của photon. Một nỗ lực khổng lồ đã được bỏ ra để thiết lập các hệ thống hai tầng đủ tốt khác, có thể được sử dụng trong công nghệ lượng tử và đặc biệt là trong điện toán lượng tử. Ví dụ như các spin trong các nguyên tử bẫy hoặc ion bẫy; tâm sắc (hoặc tâm-F) chắc chắn trong tinh thể, chẳng hạn như kim cương; và các trạng thái điện tích hoặc thông lượng trong các mạch điện siêu dẫn. Trong ví dụ cuối cùng, hệ thống hai tầng phát sinh như một hiệu ứng tập thể trong chuyển động của một số lượng lớn electron ở cấp độ vĩ mô.

Để hiểu rõ hơn và phân loại các loại liên kết khác nhau, và tìm ra các phương pháp đo liên kết tốt hơn khi có nhiều hơn hai hệ tham gia, là nhiệm vụ quan trọng đối với cả các nhà vật lý lý thuyết lẫn toán học. Và hiện có rất nhiều câu hỏi để ngỏ. Chúng ta chỉ mới thảo luận ở đây một ví dụ trong đó có mối liên kết giữa ba hạt thôi, nhưng đã dẫn đến một hiểu biết mới kỳ vĩ như vậy rồi. Năm 1989, Daniel Greenberger, Horne và Zeilinger (GHZ) xử lý trạng thái bốn hạt liên kết, và một năm sau, cùng với Shimony, xử lý trạng thái ba photon liên kết.

Bằng cách đo phương x hoặc phương y trong các tổ hợp khác nhau của ba hạt, người ta có thể thiết lập một số tương quan hoàn hảo nhất định, nghĩa là khi biết kết quả đo của hai hạt, kết quả của hạt thứ ba có thể được suy ra một cách chắc chắn. Điều này gần giống với các mối tương quan tuyệt đối trong thí nghiệm EPR ban đầu, với cả hai máy dò có cùng độ phân cực. Các mối tương quan EPR tuyệt đối như vậy dễ dàng được giải thích bằng các biến ẩn cục bộ, nhưng các mối tương quan tuyệt đối ở trạng thái GHZ, xuất phát từ mô tả lượng tử, thách thức mọi lời giải thích như vậy. Do đó, chỉ bằng thiết lập thực nghiệm, những mối tương quan này đủ để loại trừ thực tại cục bộ, và không cần sử dụng bất kỳ bất đẳng thức nào. Một bằng chứng rất rõ ràng và đơn giản về kết quả đáng ngạc nhiên này đã được đưa ra bởi Mermin. Năm 1999, nhóm của Zeilinger đã thành công trong việc tạo ra trạng thái GHZ ba photon, và một năm sau, họ chỉ ra nó vi phạm bất đẳng thức Bell, như lý thuyết đã tiên nghiệm.

Ngày nay, công nghệ lượng tử hướng đến một phạm vi nghiên cứu và phát triển rất rộng. Ví dụ, chương trình Công nghệ Lượng tử Flagship do EU tài trợ liệt kê bốn lĩnh vực chính: Điện toán lượng tử, mô phỏng lượng tử, truyền thông lượng tử, và đo lường và cảm biến lượng tử. Trong tất cả các lĩnh vực này, liên kết lượng tử đóng một vai trò cơ bản. Chúng ta sẽ thảo luận ngắn gọn về phân phối khóa lượng tử, vì nó được kết nối chặt chẽ với những phát triển đã được đề cập cho đến nay. Cách duy nhất hiện nay để gửi tin nhắn đảm bảo an toàn khỏi bị nghe lén là sử dụng khóa mã hóa chung, thứ chỉ được sử dụng một lần duy nhất. Vấn đề là làm thế nào để phân phối khóa chung của Alice và Bob một cách an toàn, và đây là lúc phân phối khóa lượng tử (QKD - Quantum Key Distribution) xuất hiện.

Năm 1991 Artur Ekert đề xuất một giao thức QKD dựa trên liên kết lượng tử. Tóm lại, nó hoạt động như sau: A và B chia sẻ một cặp Bell được phát ra từ một nguồn độc lập. Sau đó, A đo spin theo một trong ba hướng ai, i = 1, 2, 3, được chọn ngẫu nhiên và B thực hiện tương tự theo hướng bi. Sau khi đo, Alice và Bob thông báo công khai thành phần spin nào được đo và chia các sự kiện thành hai nhóm. Nhóm đầu tiên chứa các sự kiện chọn cùng một hướng và nhóm thứ hai là các sự kiện chọn hướng khác nhau. Bước tiếp theo là công khai tiết lộ kết quả của các phép đo trong nhóm thứ hai. Dữ liệu này sau đó có thể được sử dụng để thực hiện phép thử Bell. Nếu điều này đúng như mong đợi từ thuyết lượng tử, nghĩa là, nếu các mối tương quan vi phạm bất đẳng thức Bell, thì các sự kiện trong nhóm đầu tiên, hoàn toàn phản tương quan, và có thể được sử dụng để tạo khóa bí mật. Vào năm 2006, nhóm Zeilinger đã sử dụng sơ đồ này và một liên kết không gian quang học tự do để thiết lập một khóa an toàn giữa hai đảo thuộc Canary, La Palma và Tenerife, cách nhau 144km. Những người thực hiện đã sử dụng các cặp photon liên kết phân cực, và trong một thử nghiệm về bất đẳng thức CHSH, họ chứng minh sự vi phạm giới hạn thực tại cục bộ với hơn 13 độ lệch chuẩn.

Ví dụ trên chứng tỏ rằng sự vi phạm bất đẳng thức Bell không “chỉ” là vấn đề bản thể luận của cơ học lượng tử, mà có thể được đưa vào sử dụng thực tiễn. Trong phạm vi này, chúng ta quay lại các lỗ hổng khác nhau trong thí nghiệm ban đầu của Clauser đôi chút. Chúng ta đã thảo luận về lỗ hổng cục bộ liên quan đến thí nghiệm của Aspect. Đây là lỗ hổng được Bell nhấn mạnh, và trong số các lỗ hổng khác, lỗ hổng được coi quan trọng nhất là lỗ hổng thăm dò. Điều này phát sinh do không có máy dò nào có hiệu suất 100% — một số photon luôn bị thất thoát và nếu Tự nhiên tàn nhẫn, những photon này có thể âm mưu giả mạo vi phạm bất đẳng thức Bell. Điều này có thể tránh được bằng cách có các máy dò photon đủ tốt, nhưng lỗ hổng thăm dò lần đầu tiên đã được đóng lại trong một thí nghiệm sử dụng các ion bẫy, và sau đó là trong các hệ thống khác. Tuy nhiên, trong những thí nghiệm này, người ta không thể đóng lỗ hổng cục bộ và chỉ trong những năm 2015-2017, bốn nhóm, một trong số họ do Zeilinger đứng đầu, đã tìm cách đóng đồng thời cả lỗ hổng cục bộ và thăm dò.

Tầm quan trọng chính của những kết quả này không phải để một lần nữa xác nhận rằng cơ học lượng tử đã đúng, mà để tạo ra các giao thức QKD thậm chí còn an toàn hơn. Vì những điều này phụ thuộc vào các phép thử Bell, nên vấn đề ở đây không phải là liệu Tự nhiên có âm mưu vi phạm các bất đẳng thức Bell hay không, mà là liệu kẻ nghe lén độc ác Eve có làm vậy hay không. Vào năm 2022, ba nhóm đã sử dụng các phép thử Bell không có lỗ hổng nào để thực nghiệm các giao thức QKD độc lập với thiết bị. Điều này có nghĩa là khóa được bảo mật, ngay cả khi Eve có quyền truy cập vào thiết bị phân phối lượng tử.

Những người sáng lập ra cơ học lượng tử đã nhận thức rõ về ý nghĩa vật lý và triết học, có khả năng mang tính cách mạng của nó, và đã có những quan điểm rất khác nhau, và đôi khi hoàn toàn trái ngược nhau, về đề tài này. Bằng cách chứng minh cơ học lượng tử đưa ra những tiên nghiệm không thể tái lập được bằng bất kỳ lý thuyết đáng tin cậy nào dựa trên các biến ẩn cục bộ, John Bell đã biến vấn đề mang tính triết học thành khoa học thực nghiệm, và thay đổi lĩnh vực này mãi mãi.

Dù vậy, sự chuyển mình không thể xóa bỏ mọi tranh cãi. Thực vậy, bằng chứng thực nghiệm áp đảo trong các lĩnh vực vật lý nguyên tử và quang học, đối với hầu hết mọi người trong ngành, là sự xác nhận về sức mạnh tiên nghiệm mạnh mẽ của cơ học lượng tử. Cho nên, đối với họ, các thí nghiệm của Clauser và Aspect không có gì đáng ngạc nhiên. Những người khác coi chúng là những khám phá cơ bản về bản chất của thực tại, mang lại xác minh cuối cùng về cơ học lượng tử trong một chỉnh thể khác xa với các định luật và lý luận cổ điển.

Giải Nobel năm nay dành cho công trình thực nghiệm. Ngoài sự khác biệt trong cách luận giải triết học, các thí nghiệm ban đầu của Bell đã thúc đẩy sự phát triển của Cuộc cách mạng lượng tử thứ hai. Hai trong số những người đoạt giải năm nay, John Clauser và Alain Aspect, được vinh danh vì công trình đã khởi xướng một kỷ nguyên mới, mở rộng tầm mắt của cộng đồng vật lý về tầm quan trọng của mối liên kết và cung cấp các kỹ thuật để tạo, xử lý và đo lường các cặp Bell phức tạp hơn bao giờ hết, cùng những diễn tiến không thể tin được. Công trình thực nghiệm của người đoạt giải thứ ba, Anton Zeilinger, nổi bật với việc sử dụng các cặp liên kết và các cặp Bell một cách sáng tạo, cả trong nghiên cứu cơ bản thúc đẩy trí tò mò lẫn trong các ứng dụng như mã hóa lượng tử.

Cuộc cách mạng lượng tử đầu tiên đã mang lại cho chúng ta bóng bán dẫn và tia laser, mở ra Kỷ Nguyên Thông tin, nhưng giờ đây chúng ta đang bước vào một kỷ nguyên mới nhờ các công cụ tiên tiến giúp thao túng các hệ thống các hạt liên kết.