100 năm của vật lý lượng tử: Từ lý thuyết những năm 1920 đến những máy tính đỉnh cao năm 2020

Ngày xưa trong những năm 1920, cơ học lượng tử, lý thuyết làm cơ sở cho mọi thứ từ cách nguyên tử hành xử đến cách máy tính lượng tử hoạt động, đã dần dần được chấp nhận rộng rãi. Tuy nhiên, vẫn còn một bí ẩn: Đôi khi, các đối tượng lượng tử như electron, nguyên tử và phân tử lại hành xử giống như hạt, và đôi khi chúng lại hành xử giống như sóng. Đôi khi chúng thậm chí còn hành xử như hạt và sóng cùng một lúc. Do đó, khi nghiên cứu những đối tượng lượng tử này, không rõ lúc nào nhà khoa học cần sử dụng phương pháp nào cho các phép toán của họ.

Đôi khi, nhà khoa học cần giả định rằng các đối tượng lượng tử là sóng để có được kết quả đúng. Đôi khi, họ cần giả định rằng các đối tượng thực sự là hạt. Đôi khi cả hai phương pháp đều có thể hoạt động. Nhưng đôi khi chỉ một phương pháp duy nhất sẽ dẫn đến kết quả đúng, và phương pháp còn lại lại trả về một kết quả giả mạo. Lịch sử vấn đề này đã quay lại khá lâu, nhưng các thí nghiệm gần đây đã đưa thêm ánh sáng mới vào câu hỏi cũ này.

Lịch sử lượng tử

Trong thí nghiệm khe đôi nổi tiếng, đầu tiên được thực hiện bởi Thomas Young vào năm 1801, ánh sáng hành xử giống như sóng. Trong thí nghiệm này, bạn chiếu tia laser vào một khe đôi và sau đó quan sát mẫu kết quả từ đó. Nếu ánh sáng được tạo ra từ các hạt, bạn sẽ mong đợi hai khối ánh sáng, theo hình dạng của các khe. Thay vào đó, kết quả là nhiều khối nhỏ ánh sáng, được sắp xếp theo một trật tự đặc biệt. Đặt một khe đôi trong một dòng nước sẽ tạo ra cùng mẫu kết quả một chút phía dưới. Do đó, thí nghiệm này dẫn đến kết luận rằng ánh sáng là một sóng.

Sau đó, vào năm 1881, Heinrich Hertz đã có một phát hiện thú vị. Khi ông lấy hai điện cực và áp dụng một điện áp đủ cao giữa chúng, có hiện tượng tia lửa. Cho đến đây vẫn ổn. Nhưng khi Hertz chiếu ánh sáng lên những điện cực đó, điện áp tia lửa thay đổi. Giải thích là ánh sáng đẩy electron ra khỏi vật liệu của điện cực. Nhưng, một cách đáng ngạc nhiên, tốc độ tối đa của electron bị đẩy ra không thay đổi nếu cường độ của ánh sáng thay đổi, mà thay vào đó thay đổi theo tần số của ánh sáng. Kết quả này đã không thể xảy ra nếu lý thuyết sóng là đúng. Năm 1905, Albert Einstein đã có giải pháp: Ánh sáng, thực sự, là một hạt.

Tất cả những điều này đều không làm hài lòng. Nhà khoa học ưa thích một lý thuyết luôn đúng hơn là hai lý thuyết đúng đôi khi. Và nếu một lý thuyết chỉ đúng đôi khi, thì ít nhất, chúng ta muốn biết được trong điều kiện nào nó đúng.

Nhưng đó chính là vấn đề với phát hiện này. Nhà vật lý không biết khi nào nên coi ánh sáng, hoặc bất kỳ đối tượng nào khác, là sóng hay khi nào là hạt. Họ biết rằng một số điều kích thích hành vi giống như sóng, chẳng hạn như mép của khe. Nhưng họ không có một giải thích rõ ràng vì sao lại như vậy, hoặc khi nào nên sử dụng lý thuyết nào.

Bí ẩn này, được gọi là tính chất song nguyên tử sóng-hạt, vẫn tồn tại đến ngày nay. Nhưng nghiên cứu mới có thể đang làm sáng tỏ mọi thứ một chút. Các nhà khoa học tại Viện Cơ bản Hàn Quốc đã chỉ ra rằng tính chất của nguồn sáng ảnh hưởng đến việc nó là hạt bao nhiêu và là sóng bao nhiêu. Thông qua một cách tiếp cận mới để khám phá vấn đề này, họ đã mở đường cho những cải tiến có thể dẫn đến cải thiện trong lĩnh vực máy tính lượng tử. Hoặc ít nhất là hy vọng như vậy.

Cách tạo ra hạt và sóng

Trong thí nghiệm, các nhà khoa học sử dụng một gương phản xạ bán phản để chia một tia laser thành hai phần. Mỗi tia này đập vào một tinh thể, tạo ra hai photon. Điều này tạo ra bốn photon tổng cộng, hai từ mỗi tinh thể.

Các nhà khoa học đã gửi một photon từ mỗi tinh thể vào một interferometer. Thiết bị này kết hợp hai nguồn sáng và tạo ra một mô hình nhiễu loạn. Một mô hình như vậy được quan sát lần đầu tiên bởi Thomas Young trong thí nghiệm khe đôi đã nói ở trên. Đó cũng là điều bạn thấy khi bạn thả hai viên đá vào một ao: những sóng trùng lấp của nước, một số tăng cao lên nhau và một số hủy bỏ lẫn nhau. Nói cách khác, interferometer phát hiện tính chất sóng của ánh sáng.

Các nhà lý thuyết vật lý học rất phấn khích

Kết quả này khớp với dự đoán mà các nhà lý thuyết đã đưa ra trước đó. Theo lý thuyết của họ, mức độ giống sóng và giống hạt của một đối tượng lượng tử phụ thuộc vào độ tinh khiết của nguồn. Độ tinh khiết, trong ngữ cảnh này, chỉ là một cách tinh tế để diễn đạt khả năng một tinh thể cụ thể sẽ phát ra ánh sáng. Công thức như sau: V2 + P2 = µ2, trong đó V là độ rõ ràng của mô hình, P là khả năng phân biệt quỹ đạo, và µ là độ tinh khiết của nguồn.

Điều này có nghĩa là một đối tượng lượng tử, như ánh sáng, có thể ở mức độ nào đó giống như sóng và ở mức độ nào đó giống như hạt, nhưng điều này bị giới hạn bởi mức độ tinh khiết của nguồn. Một đối tượng lượng tử giống như sóng nếu một mô hình giao thoa có thể nhìn thấy hoặc nếu lượng V không phải là không. Ngoài ra, nó giống như hạt nếu một quỹ đạo có thể phân biệt được hoặc nếu P không phải là không.

Hậu quả khác của dự đoán này là nếu mối liên kết giữa quỹ đạo lượng tử là cao, thì độ tinh khiết là thấp, và ngược lại. Những nhà khoa học thực hiện thí nghiệm đã chứng minh điều này theo cách toán học trong bài báo của họ. Bằng cách điều chỉnh độ tinh khiết của các tinh thể và đo lường kết quả, họ đã có thể chứng minh rằng những dự đoán lý thuyết này là hoàn toàn hợp lý.

Máy tính lượng tử nhanh hơn?

Mối liên kết giữa tính đồng nhất của một đối tượng lượng tử và tính hạt và sóng của nó là điều đặc biệt hứng thú. Các thiết bị lượng tử, có thể một ngày nào đó sẽ cung cấp sức mạnh cho internet lượng tử, dựa vào sự liên kết. Internet lượng tử là biểu tượng lượng tử cho những gì internet mang lại cho máy tính cổ điển. Bằng cách kết nối nhiều máy tính lượng tử lại với nhau và cho họ giao tiếp, các nhà khoa học hy vọng sẽ mở khóa sức mạnh lớn hơn so với một máy tính lượng tử đơn lẻ có thể đạt được.

Thay vì truyền các bit qua sợi quang, như chúng ta làm để cung cấp internet cổ điển, chúng ta cần liên kết các qubit để tạo ra một internet lượng tử. Khả năng đo lường sự liên kết thông qua tính hạt và sóng của một photon có nghĩa là chúng ta có thể tìm cách dễ dàng hơn để kiểm soát chất lượng của internet lượng tử.

Hơn nữa, chính máy tính lượng tử có thể trở nên tốt hơn bằng cách sử dụng tình chất kép hạt và sóng. Theo đề xuất của các nhà nghiên cứu tại Đại học Tsinghua của Trung Quốc, bạn có thể bắn một máy tính lượng tử nhỏ qua nhiều khe hở để tăng cường công suất của nó. Một máy tính lượng tử nhỏ sẽ bao gồm một số nguyên tử, chúng được sử dụng như là qubit, và những thiết bị như vậy đã tồn tại.

Bắn những nguyên tử này qua nhiều khe hở khá giống như bắn ánh sáng qua một khe hở kép, mặc dù phức tạp hơn một chút, tất nhiên. Điều này sẽ tạo ra nhiều trạng thái lượng tử có thể, từ đó nâng cao sức mạnh của máy tính 'bắn'. Toán học đằng sau tất cả điều này quá phức tạp để giải thích trong bài viết này, nhưng một kết quả quan trọng là máy tính lượng tử kép như vậy có thể tốt hơn trong tính toán song song so với máy tính lượng tử thông thường. Tính toán song song cũng phổ biến trong tính toán cổ điển, và cơ bản đề cập đến khả năng của máy tính thực hiện nhiều phép tính cùng một lúc, từ đó làm cho nó nhanh hơn toàn diện.

Vì vậy, mặc dù đây là nghiên cứu rất cơ bản, các ứng dụng có thể đã nằm trong tầm nhìn. Ở điểm thời điểm này, không thể chứng minh được, nhưng những khám phá này có thể làm tăng tốc máy tính lượng tử thêm một chút và làm cho internet lượng tử xảy ra sớm hơn.

Rất cơ bản, nhưng rất hứng thú

Tất cả những điều này nên được xem xét với một lượng muối lớn. Nghiên cứu là vững chắc, nhưng cũng rất cơ bản. Như thường lệ trong khoa học và công nghệ, có một khoảng cách lớn từ nghiên cứu cơ bản đến ứng dụng thực tế.

Nhưng các nhà nghiên cứu từ Hàn Quốc đã phát hiện một điều rất thú vị: Vấn đề về tính chất kép sóng-hạt không phải sẽ biến mất trong thời gian sớm. Ngược lại, có vẻ như nó đã thâm nhập sâu vào tất cả các đối tượng lượng tử đến mức tốt hơn là tận dụng nó. Với một cơ sở lượng tử mới, liên quan đến độ tinh khiết của nguồn, điều này sẽ dễ dàng hơn để thực hiện.

Một trong những ứng dụng đầu tiên có thể xảy ra trong tính toán lượng tử. Liên kết lượng tử và tính chất kép sóng-hạt được liên kết, như các nhà khoa học đã chỉ ra. Thay vì liên kết, do đó có thể đo lường các lượng sóng và hạt. Điều này có thể giúp những nhà khoa học đang làm việc trên việc phát triển internet lượng tử. Hoặc, có thể sử dụng tính chất kép để tăng cường máy tính lượng tử và làm cho chúng trở nên nhanh hơn. Dù cách nào, có vẻ như thời kỳ lượng tử hứng thú sắp đến gần chúng ta.

Bài viết này được xuất bản ban đầu trên Built In. Bạn có thể đọc nó tại đây.