Ngay cả Albert Einstein cũng mắc phải sai sót trong lĩnh vực vật lý lượng tử, như một thí nghiệm mới chỉ ra

Chỉ cần một sợi dây nhôm siêu dẫn dài 30 mét, các nhà khoa học đã chứng minh được rằng hiện tượng vướng mắc lượng tử xảy ra nhanh hơn thời gian mà ánh sáng di chuyển giữa chúng.

Là một nhà khoa học lỗi lạc, nhưng Albert Einstein nổi tiếng khó chịu với những hệ quả của hiện tượng vướng mắc lượng tử. Nếu lý thuyết của cơ học lượng tử đúng, một cặp vật thể vướng mắc với nhau sẽ có hành vi giống như một hệ thống lượng tử đồng nhất dù chúng có cách xa nhau thế nào đi nữa – điều này có nghĩa khi thay đổi trạng thái của một trong số chúng, cũng đồng thời làm thay đổi trạng thái của vật thể còn lại.

Điều này xảy ra với tốc độ còn nhanh hơn cả khoảng thời gian ánh sáng di chuyển giữa 2 vật thể - nghĩa là nhanh hơn cả ánh sáng. Chính vì vậy, Einstein cho rằng gần như chắc chắn lý thuyết này là sai.

Vì vậy, từ nhiều năm nay, nhiều nhà khoa học đã đề xuất nên những phiên bản khác nhau của cái được gọi là các biến số ẩn – các đặc tính vật lý được chia sẻ giữa những vật thể, có hành vi tương tự như vướng mắc lượng tử trong khi vẫn duy trì được thông tin quy định hành vi của từng vật thể - hay được gọi là 'hiện thực cục bộ' của vật thể. Do vậy, trong khi hành vi của chúng giống như hiện tượng vướng mắc lượng tử, chúng không vi phạm lý thuyết cơ học của Einstein.

Thế nhưng một thí nghiệm mới đây lại có thể chứng tỏ rằng Einstein đã sai về lý thuyết lượng tử. Thí nghiệm này sử dụng các qubit siêu dẫn để chứng minh rằng cơ học lượng tử vi phạm lý thuyết về 'hiện thực cục bộ' khi cho phép 2 vật thể có hành vi như một hệ lượng tử duy nhất bất kể khoảng cách giữa chúng xa đến bao nhiêu.

Thực tế đã có nhiều thí nghiệm trước đây chỉ ra rằng lý thuyết về hiện thực cục bộ không mô tả đúng cách Vũ trụ hoạt động. Tuy nhiên, thí nghiệm này là lần đầu tiên qubit siêu dẫn được tách ra ở khoảng cách đủ xa để ánh sáng không di chuyển đủ nhanh trong khi thực hiện các phép đo.

Để thực hiện thí nghiệm này, một sợi dây nhôm dài 30m được làm lạnh xuống gần với độ 0 tuyệt đối. Sau đó, kiểm tra phương trình Bell bằng cách đo lường ngẫu nhiên 2 hạt qubit lượng tử cùng một lúc.

Trước đó, John Bell đã chỉ ra rằng các hành vi tương quan giữa 2 vật thể lượng tử bị giới hạn. Tuy nhiên, lý thuyết cơ học lượng tử dự đoán mức độ tương quan cao hơn nhiều. Do đó, việc đo lường hành vi của các cặp hạt lượng tử vướng víu nhau có thể xác định vi phạm phương trình Bell. Nếu vi phạm, chứng minh rằng lý thuyết về các biến ẩn - hay hiện thực cục bộ - không giải thích được hành vi của chúng.

So với các đối tượng trong các thí nghiệm trước đó, thí nghiệm với các qubit này cho phép các nhà khoa học kiểm soát cao hơn, giúp thực hiện nhanh chóng nhiều thí nghiệm và thăm dò hành vi của vướng víu lượng tử.

Việc chứng minh vi phạm bất đẳng thức Bell tương đối đơn giản khi đã thực hiện nhiều lần trước đó. Thách thức nằm ở việc loại bỏ một trong những lỗ hổng của các phép đo: đó là cần phải chứng minh mối tương quan giữa 2 vật thể không phải do quá trình điều chỉnh.

Thí nghiệm đảo ngược nhận định của Einstein

Do các phép đo này cần thời gian, cần tách xa 2 qubit để đảm bảo ánh sáng không di chuyển đủ nhanh giữa chúng. Nhóm nghiên cứu ở trường ETH Zurich đã tính toán rằng 30 mét là đủ để thực hiện các phép đo.

Đây là quãng đường ngắn nhưng kỹ thuật thách thức. Để điều khiển các hạt lượng tử, cần sử dụng photon vi sóng năng lượng thấp, cần duy trì ở gần độ 0 tuyệt đối để tránh nhiễu và đảm bảo độ chính xác của phép đo.

Mặc dù thí nghiệm diễn ra xung quanh 30 mét dây nhôm chứa qubit ở 2 đầu, tổ hợp lớn được xây dựng xung quanh, bao gồm hệ thống làm lạnh bằng Helium lỏng để đưa sợi dây xuống mức sát với độ 0 tuyệt đối. Tổ hợp này cũng chứa thiết bị đo lường để theo dõi hành vi của các hạt qubit.

Toàn bộ hệ thống hoạt động ấn tượng. Sử dụng qubit siêu dẫn, nhà nghiên cứu có thể thực hiện hơn một triệu phép thử riêng biệt trong 20 phút. Tương quan giữa các hạt qubit vượt xa giới hạn trong bất đẳng thức Bell với độ lệch đáng kinh ngạc.

Thí nghiệm này không chỉ chỉ ra sai lầm trong lập luận của Einstein về cơ học lượng tử mà còn mở ra cánh cửa mới cho việc chế tạo máy tính lượng tử quy mô lớn.

Một trong những trở ngại là mỗi qubit lượng tử chiếm không gian lớn trên con chip, rất khó chế tạo một chip với hàng trăm qubit. Vì vậy, Google và IBM đang lên kế hoạch liên kết nhiều chip lượng tử vào một máy tính.

Tuy nhiên, với hàng chục nghìn qubit, rất khó để làm lạnh chúng trong cùng một hệ thống. Điều này có nghĩa là phải xây dựng các hệ thống làm lạnh liên kết cho một số lượng lớn các qubit - như trong thí nghiệm trên. Khi thí nghiệm chứng minh rằng, các qubit sẽ có hành vi tương quan bất kể khoảng cách, điều đó cho phép xây dựng các máy tính lượng tử lớn lên đến hàng chục nghìn qubit mà không gặp phải các giới hạn về không gian.

Tổng hợp từ Arstechnica và ScienceAlert