Mối liên kết kỳ quặc nhất

Erwin Schrodinger gọi nó là sự rối lượng tử (entanglement) ^*, một nét đặc trưng của thuyết lượng tử. A. Einstein đặt cho nó tên gọi nổi tiếng “tác dụng từ xa ma quái” (spooky action at a distance). Cũng dễ hiểu vì sao như vậy. Thiết lập thí nghiệm chính xác, phù hợp thì ta có thể làm ảnh hưởng tức thời tới các tính chất vật lý của một vi hạt ở bờ bên kia của vũ trụ chỉ đơn giản bằng cách tác động đến vi hạt liên kết lượng tử cặp đôi với nó. Trước đây không lâu, điều này còn là kỳ lạ của thế giới lượng tử, chỉ thấy được từ các thí nghiệm tinh tế. Hiện nay các nhà vật lý tin rằng rối lượng tử giữa các vi hạt tồn tại ở khắp nơi, tại mọi lúc và mới đây người ta thực sự bị sốc bởi nhận ra rằng rối lượng tử có ảnh hưởng rộng lớn hon thế giới vĩ mô mà chúng ta đang sống. Đây là phát hiện có thể có hệ quả rộng lớn. Nó không chỉ giúp ta làm chủ các ứng dụng công nghệ như máy tính lượng tử, nghệ thuật viết và giải mật mã, chuyển tải các trạng thái lượng tử. Nó cũng mở ra nhiều lĩnh vực thực tiễn mới, cho phép ta lưu giữ và kiểm tra các bí mật lượng tử trong thế giới hiện đại. Nó không phải là một “điều khiển từ xa” lạ lùng thông qua vật chất. Rối lượng tử còn có thể là chìa khoá để hiểu biết về những gì đã làm nảy sinh sự sống. Rối lượng tử đã công kích tính đa cảm của chúng ta trong vài thập niên qua. Schrodinger phát hiện ra nó thông qua một thiết lập mới của ông về lý thuyết lượng tử khi ông khảo sát sự mô tả toán học hai vi hạt tình cờ gặp nhau và sau khi chúng tương tác thì không thể tách riêng rẽ đặc tính của từng vi hạt. Chúng đã liên kết lượng tử với nhau và sẽ không có ý nghĩa khi nói về tính chất của từng vi hạt. Mọi thông tin về hai vi hạt như mômen và spin chỉ nằm trong các tính chất liên kết giữa chúng với nhau. Do vậy nếu có một cái gì đó ảnh hưởng đến trạng thái lượng tử một hạt sẽ ảnh hưởng tức thời đến trạng thái của hạt kia cho dù chúng có cách xa nhau như thế nào. Chính điều này làm rối lượng tử mang đặc trưng ma quái mà Einstein không thích thú gì.

Bất kể việc gia tăng sử dụng rối lượng tử như một công cụ công nghệ, các nhà vật lý bắt đầu nhận ra rằng chúng ta mới chỉ tiếp cận sơ qua về tiềm năng của nó. Benni Reznik, nhà vật lý thuyết tại Đại học Tel Aviv (Ixraen) đặt câu hỏi: “Còn có những dạng khác của rối lượng tử mà ta chưa khám phá ra không?” Năm 2003 Sayantani Ghosh và các cộng sự tại Đại học Chicago đã làm sáng tỏ chút ít về rối lượng tử trong muối tinh thể. Họ đã phân tích một mẫu hợp chất muối từ tính LiHo _0.045Y _0.955F ₄có chứa các nguyên tử honmi rồi so sánh với dự đoán lý thuyết. Kết quả thật bất ngờ. Các nguyên tử honmi trong muối này giống như các nam châm nhỏ xíu với từ trường của chúng hưởng ứng lẫn nhau bằng cách điều chỉnh theo một hướng chung, tương tự như kim nam châm của la bàn tự định hướng theo từ trường của quả đất. Mức độ định hướng theo từ trường ngoài được gọi là độ cảm từ của muối. Ghosh và các cộng sự đã khảo sát sự thay đổi độ cảm từ của muối đó theo nhiệt độ. Họ hy vọng nó sẽ giảm dần khi nhiệt độ tăng vì năng lượng ở nhiệt độ cao sẽ phá vỡ khả năng sắp hàng tối ưu của các nguyên tử. Kết quả là đúng như vậy. Nhưng ở nhiệt độ rất thấp, các nguyên tử đã sắp hàng theo một trật tự cao hơn là dự đoán nếu xem các nguyên tử chỉ có các mức năng lượng lượng tử cơ bản. Nhóm nghiên cứu tin rằng rối lượng tử giữa các nguyên tử là cách duy nhất để giải thích hiện tượng này. Đây là một cú sốc lớn: nó chỉ ra rằng rối lượng tử được nghĩ là chỉ phát huy trong thế giới vô cùng nhỏ của các vi hạt nay lại có thể tạo ra hiệu ứng đo được ở cấp độ vĩ mô. Ghosh và các cộng sự cũng tìm thấy rối lượng tử đã ảnh hưởng đến nhiệt dung riêng của muối này.

Theo Vlatko Vedral, nhà vật lý lý thuyết thuộc Đại học Hoàng gia Luân Đôn, phát hiện trên có tầm quan trọng lớn và cân phải đưa sự bí mật của rối lượng tử vào danh sách những vấn đề lớn chưa được giải quyết mà các nhà khoa học cần quan tâm. Đó cũng vì trước đây không lâu các nhà vật lý có thể đã tự hài lòng bằng việc sử dụng mức năng lượng cổ điển và lượng tử để mô tả vật liệu khi muốn xác định và tìm hiểu các tính chất của chúng. Bây giờ hiệu ứng rối lượng tử cần phải được đưa vào như một phần trong bất kỳ một tính toán chính xác nào. Những kết quả cũng khuyến dụ rằng ta cần tìm rối lượng tử ở những hiệu ứng có ý nghĩa trong các vật liệu khác. Vedral tin rằng chỗ tốt nhất cần nghiên cứu có thể là ở hiện tượng siêu dẫn nhiệt độ cao. Theo ông, ở siêu dẫn có các cặp electron mà sự mô tả lượng tử chúng phải chứa đựng rối lượng tử. Ông nói: “Hàm sóng mô tả một cặp không bằng tích của hai hàm sóng, một cách toán học tôi có thể thấy ở đây có rối lượng tử”. Vậy rối lượng tử có thể được xem là nguyên nhân khả dĩ cho siêu dẫn nhiệt độ cao được không? liệu nó có chỉ cho ta cách tạo ra vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ cao không? Lúc này còn quá sớm để trả lời những câu hỏi đó vì hiệu ứng rối lượng tử trong muối từ tính ở thí nghiệm của Ghosh chỉ trở nên đáng kể ở dưới 1 ^◦K. Theo Vedral, có thể tìm được vật liệu có hiệu ứng rối lượng tử ở nhiệt độ phòng. Ông không xem đó là việc dễ nghiên cứu nhưng ông cho rằng không được loại bỏ chúng ra khỏi cơ sở của lý thuyết.

Trong lúc điều này mới nhìn có vẻ chỉ là một sự lạc quan thì những phát hiện mới đây về rối lượng tử lại gợi ra những ý khác. Rối lượng tử ở nhiệt độ phòng xảy ra hàng ngày trong vũ trụ. Reznik đã chỉ ra rằng toàn bộ không gian trống rỗng (chân không vật lý) chứa đầy các cặp hạt có liên kết lượng tử, vì theo ông các phương trình của lý thuyết trường lượng tử đã chỉ ra sự có mặt của rối lưởng tử trong chân không. Ông nói rằng đây là một ý tưởng không bình thường; đã rất khó khăn để bài báo đầu tiên về vấn đề này của ông được chấp nhận và cuối cùng nó đã được đăng tải vào năm 2003 ở tạp chí “Foundation of Physics” tập 33, tr. 167. Thomas Durt ở Đại học Vrije Brucxen cũng tin rằng rối lượng tử tồn tại ở mọi nơi. Từ các phương trình cơ sở mà Schrödinger đã khảo sát, ông chỉ ra rằng trong bất kỳ điều kiện nào, hầu hết các tương tác lượng tử đều sinh ra rối lượng tử. Ông nói: “Khi ta nhìn ánh sáng tới từ các ngôi sao xa xôi thì các photon là hoàn toàn chắc chắn ở trạng thái liên kết lượng tử với các nguyên tử của các ngôi sao đó và với các nguyên tử mà photon đó gặp tình cờ trên đường đi”. Và sự tương tác không đổi giữa cac electron trong các nguyên tử tạo nên cơ thể của chúng ta cũng không bị loại trừ khỏi tình trạng đó. Theo Durt, cơ thể chúng ta là một khối vật chất với các liên kết lượng tử.

Chắc chắn ta cần phải tìm một vận dụng tốt hơn về rối lượng tử. Hiện tại chúng ta mới chỉ nghiên cứu để dùng nó như chịu một sức ép. Các photon liên kết lượng tử được dùng để viết và giải mật mã, để chuyển tải các trạng thái lượng tử được tạo ra bằng cách bắn một photon vào một tinh thể phi tuyến. Rối lượng tử giữa cặp photon xuất hiện ở đây là một tạo tác từ những tính chất nội tại của photon ban đầu là đường truyền và sự phân cực của nó. Như thế các photon liên kết lượng tử từ một tinh thể phi tuyến thực tế được giữ trong chỉ một hệ lượng tử chứ không phải là kết quả của hai vi hạt khác nhau, gặp nhau rồi tương tác với nhau. Theo Vedral, đây là một loại rối lượng tử nhưng hoàn toàn không giống như rối lượng tử giữa các hệ lượng tử khác nhau. Các nhà vật lý muốn có một phương pháp thích hợp có thể mở ra con đường cho các thí nghiệm tốt nhất, đó là một nguồn vô hạn các cặp photon thuần tuý liên kết lượng tử. Rất khó khăn về mặt toán học khi rối lượng tử xảy ra với nhiều hơn hai photon mà về mặt lý thuyết các vi hạt vừa thoát khỏi một cặp liên kết lượng tử này thì một liên kết lượng tử mới lại được thiết lập và hoạt động. Các nhà vật lý thực nghiệm John Rarity và Paul Tapster là những người đầu tiên thiết lập được rối lượng tử giữa ba photon trong phòng thí nghiệm; nhưng chưa ai tìm ra cách mô tả các tính chất của một hệ như vậy.

Nếu như những hiều biết hiện tại của chúng ta về rối lượng tử giữa hai vi hạt, ba vi hạt,... còn sơ sài thì mới đây Caslav Brukner ở Đại học Viên cùng làm việc với Vedral và hai thành viên khác của Đại học Hoàng gia đã tiết lộ một bất ngờ kỳ cục: họ đã chỉ ra rằng những thời điểm của thời gian cũng có thể có liên kết lượng tử. Các nhà nghiên cứu đạt được điều này thông qua một thí nghiệm tưởng tượng khi khảo sát lý thuyết lượng tử đã liên kết như thế nào các phép đo liên tiếp trên một hệ lượng tử riêng lẻ. Chẳng hạn, đo sự phân cực của một photon ta được một kết quả nào đó. Đo tiếp lần nữa ở thời gian sau đó ta được kết quả thứ hai. Brukner và Vedral đã tìm được mối liên hệ lạ lùng giữa quá khứ và tương lai. Hành động đo sự phân cực của photon ở lần thứ hai có thể ảnh hưởng tới sự phân cực của nó ở lần trước. Điều đó thật ngạc nhiên. Những người nghiên cứu tin rằng rối lượng tử giữa các thời điểm của thời gian bí ẩn đến mức nó để lộ ra một lỗ hổng ở chính kết cấu của lý thuyết lượng tử. Lý thuyết này không cho phép thông điệp gửi ngược chiều thời gian nhưng rối lượng tử trong thời gian đã đặt không gian và thời gian ở vị thế ngang nhau trong lý thuyết lượng tử. Điều này trái với quan niệm thông thường. Không gian và thời gian luôn luôn khác nhau trong lý thuyết lượng tử. Một vị trí trong không gian là một đại lượng quan sát được; giống như mômen hay spin, các toạ độ không gian cũng là các tính chất khác của một vi hạt bất kỳ. Mặt khác sự trôi đi của thời gian luôn luôn là một phần của phông chung. Một electron có thể có một giá trị riêng của spin, mômen hay vị trí nhưng nó không có một thời gian riêng. Nếu thời gian có rối lượng tử thì có thể xem nó là một đại lượng quan sát được nhưng không có cách nào để đưa điều đó vào lý thuyết lượng tử được. Theo Vedral, người ta đã cố gắng nhưng có một cái gì đó trong cơ học lượng tử phải bị vi phạm nếu ta muốn có thời gian riêng quan sát được. Thành thử có một cái gì đó trong cơ học lượng tử phải được xây dựng lại rõ ràng. Nói cách khác, kết quả của Brukner khuyến dụ rằng có lẽ chúng ta sẽ phải từ bỏ một cái gì đó quan trọng về sự hiểu thấu hoạt động của vũ trụ. Rối lượng tử giữa hai thực thể cách nhau trong không gian nói với chúng ta rằng không gian không thật sự có dạng như vật lý cổ điển đã gán cho nó: tính tức thời của nhân quả ở các khoảng cách vũ trụ là một vấn đề mà một lý thuyết bất kỳ về vũ trụ phải xử lý. Bây giờ kết quả cả Brukner hình như đã mở rộng những điều nói về không gian cho các biến cố cách biệt về thời gian. Đây không phải là nguyên nhân cho sự thất vọng. Chúng ta biết rằng lý thuyết tương đối và lý thuyết lượng tử cần phải hoà hợp với nhau nếu như ta muốn thiết lập một lý thuyết cuối cùng về sự vận hành của vũ trụ. Hãy còn quá sớm để thổi phồng kết quả của Brukner và Vedral, nhưng có thể nó sẽ là manh mối cho việc xây dựng một lý thuyết như vậy.

Nếu như Ghosh dự đoán rối lượng tử có thể làm xuất hiện các hiệu ứng vĩ mô thì liệu đây có phải là sự biện giải rằng rối lượng tử có thể là chìa khoá để hiểu biết sự sống được không? Chúng ta biết rằng cơ học lượng tử mô tả các nguyên tử đã tổ hợp lại như thế nào để thành các phân tử. Cơ học lượng tử cũng là cơ sở của hoá học. Và các quá trình hoá học lại làm nền tảng cho mọi quá trình sinh học bao gồm cả các chu trình trao đổi chất cùng cơ cấu sao chép giúp duy trì sự sống. Như vậy theo Vedral, có thể có một số thí nghiệm trong sinh học và sinh hoá, mà ở đó chúng ta có thể thấy được nhiều hiện tượng có rối lượng tử, giải thích một số kết quả dưới một luồng ánh sáng khác. Đây là một sự tìm kiếm rất hấp dẫn. Kết nối những điều đã trình bày ở trên với khả năng tạo ra các vật liệu từ sự hiểu biết ngày càng rộng về rối lượng tử để tạo ra các dạng mới của sự sống. Điều này bây giờ còn là một suy nghĩ kỳ cục.

_________________

^*)Một số tác giả dịch là “vướng mắc”, “vướng víu”,... Chúng tôi tạm thời giữ nguyên ý kiến của các tác giả, chưa đặt vấn đề sử dụng thống nhất một thuật ngữ (BBT).

Lược thuật bài của Michael Brooks, New Scientist, 27 - 3 - 2004, 32; có tham khảo thêm: Vlatko Vedral, Nature, 4 - 9 - 2003, 28; Ghosh et al., Nature, 4 - 9 - 2003, 48.

Ảnh: Thí nghiệm của Ghosh và các cộng sự chứng tỏ sự ảnh hưởng của rối lượng tử đến tính chất vĩ mô của vật rắn: Kết quả đo về độ cảm từ của muối từ tính LiHo _0.045Y _0.955F ₄theo nhiệt độ phù hợp với dự đoán có sự tham gia của rối lượng tử ở nhiệt độ thấp.

Nguồn:T/c Vật lý ngày nay, số 5, 10 - 2005, tr. 25