Thời kì phục hưng lượng tử potx

73 Tuyn Physics World 2008 | © hiepkhachquay

Thi kì phc hưng lưng t
Các nhà vật lí ngày nay thường xuyên có thể khai thác những tính chất khác thường của
cơ học lượng tử để truyền tải, mã hóa và cả xử lí thông tin. hưng như Markus Aspelmeyer và
Anton Zeilinger mô tả, những tiến bộ công nghệ của khoa học thông tin lượng tử ngày nay đang
cho phép các nhà nghiên cứu chú tâm trở lại vào những nan đề cơ bản phát sinh bởi thuyết lượng
tử.
Trí tò mò thun túy ã tng là ng lc sau nhiu thí nghim t phá trong vt lí hc.
iu này không gì minh ha tt hơn bng trong cơ hc lưng t, thot u là nn vt lí ca nhng
vt cc nh. K t khi khai sinh ra nó vào thp niên 1920 và 1930, các nhà nghiên cu ã mun
quan sát nhng tính cht phn trc giác ca cơ hc lưng t mt cách trc tip trong phòng thí
nghim. Tuy nhiên, vì kĩ thut thc nghim không ưc phát trin  vào lúc ó, nên nhng
ngưi như Niels Bohr, Albert Einstein,
Werner Heisenberg và Erwin Schrödinger
thay vì th ã da trên nhng thí nghim
tưng tưng  nghiên cu nn vt lí lưng
t ca tng ht mt, ch yu là electron và
photon.
Vào thp niên 1970, công ngh ã bt
kp, to ra mt “cơn st vàng” nhng thí
nghim cơ bn tip tc cho n thp niên
1990. Nhng thí nghim này xác nhn thuyt
lưng t vi s thành công áng chú ý, và
thách thc nhiu gi thuyt ưc nhiu ngưi
chp nhn v th gii vt cht. Trong s
nhng gi thuyt này là “thuyt duy thc”
(i khái nó phát biu rng kt qu ca các
phép o hé l các c im ca th gii thì
tn ti c lp vi phép o), “thuyt cc b”
(rng kt qu ca các phép o  ây và lúc

này không ph thuc vào mt s hot ng
có th tin hành  mt nơi rt xa úng vào lúc này), “thuyt phi ng cnh” (khng nh rng kt
qu ca các phép o thì c lp vi ng cnh ca thit b o).
74 o | © hiepkhachquay

Nhưng mt bt ng ln ã ch ón nhng ai ang nghiên cu trong lĩnh vc này. Các thí
nghim lưng t cơ bn làm phát sinh mt lĩnh vc hoàn toàn mi nh ó các nhà nghiên cu áp
dng các hin tưng như chng cht, s ri và tính ngu nhiên  mã hóa, truyn ti và x lí
thông tin trong khuôn kh mi l trit . “Khoa hc thông tin lưng t” ngày nay là mt lĩnh vc
chuyên môn ang bùng n mang li nhng ng dng nghe có v v lai như máy tính lưng t, mt
mã lưng t và truyn thông lưng t vào trong tm vi. Hơn na, nhng tin b công ngh làm
cơ s cho nó ã mang li cho các nhà nghiên cu s iu khin chưa tng có tin l trên tng h
lưng t mt. Quyn iu khin ó hin ang khuy ng mt s phc hưng trong trí tò mò ca
chúng ta v th gii lưng t, bi nó cho phép các nhà vt lí lưu tâm n nhng khía cnh cơ bn
mi ca cơ hc lưng t. Hóa ra, iu này có th m ra mt xa l mi trong nn khoa hc thông
tin lưng t.
Phản trực giác
C nhng thí nghim cơ lưng t cơ bn và khoa hc thông tin lưng t u n nhiu vào
s ra i ca laser vào thp niên 1960, nó ã mang li nhng phương pháp mi và hiu qu cao
 chuNn b tng h lưng t nhm kim tra các tiên oán ca thuyt lưng t. Tht vy, s phát
trin ban u ca các thí nghim vt lí lưng t cơ bn ã i song hành vi mt s nghiên cu
thc nghim u tiên v quang hc lưng t.
Mt trong nhng bưc nhy thc nghim ch yu vào lúc ó là kh năng to ra các cp
photon “ri”. Vào năm 1935, Schrödinger ã t ra thut ng “s ri”  ch các cp ht ưc mô
t duy nht bi tính cht chung ca chúng thay cho tính cht riêng r ca chúng – nó i ngưc li
vi kinh nghim ca chúng ta v th gii vĩ mô. Trưc ó không lâu, Einstein, Boris Podolsky và
Nathan Rosen (gi tên chung là EPR) ã s dng mt thí nghim tưng tưng bin h rng nu s
ri tn ti, thì mô t cơ lưng t ó ca thc th vt lí phi không hoàn chnh. Einstein không
thích quan nim rng trng thái lưng t ca mt ht b ri có th thay i tc thi khi mt phép
o ưc tin hành trên ht kia. Gi nó là tác dng “ma qu” t xa, ông hi vng v mt lí thuyt

vt lí hoàn chnh hơn ca cái rt nh không biu hin nhng c im kì l như th.
iu này nm ti tâm im ca mt cu tranh lun ni ting gia Einstein và Bohr xem
nn vt lí mô t t nhin “là nó thc s như th”, như quan im ca Einstein, hay nó mô t “cái
chúng ta có th nói v t nhiên”, như Bohr tin tưng. Mãi cho n thp niên 1960 thì nhng câu
hi này thun túy mang tính trit hc trong t nhiên. Nhưng vào năm 1964, nhà vt lí Bc Ireland,
John Bell, nhn ra rng các thí nghim v nhng ht ri có th cung cp mt phép kim tra xem
có mt mô t nào hoàn chnh hơn v th gii ngoài thuyt lưng t ra hay không. EPR tin rng
mt lí thuyt như th là tn ti.
75 Tuyn Physics World 2008 | © hiepkhachquay

Bell da trên lun chng ca ông v hai gi thuyt do EPR ưa ra trái ngưc hn bi tính
cht ca các ht ri. Th nht là thuyt cc b, phát biu rng kt qu ca nhng phép o tin
hành trên mt ht phi c lp vi mi th ng thi thc hin vi i tác ri ca nó nm 
khong cách xa tùy ý. Th hai là thuyt duy thc, phát biu rng kt qu ca mt phép o trên
mt trong các ht phn ánh các tính cht ca ht mang trưc ó và c lp vi phép o. Bell ch
ra rng mt kt hp c bit ca các phép o tin hành trên nhng cp ht ưc chuNn b ng
nht s to ra mt gii hn s (ngày nay gi là bt ng thc Bell) tha mãn mi lí thuyt vt lí
tuân theo hai gi thuyt này. Tuy nhiên, ông cũng ch ra rng gii hn này b vi phm bi các tiên
oán ca vt lí lưng t cho các cp ht b ri (Physics 1 195).

Thí nghim trên các cp ri hay b ba photon có th dùng  kim tra quan nim v hin thc vt cht. Trong các thí
nghim kiu Bell ban u, c hai photon ca mt cp ri có s phân cc thng ging nhau i vi các b phân cc
song song. Nhưng vi các b phân cc hưng chch mt góc nh so vi nhau, như trong hình, thì kt qu tương t
thu ưc thưng xuyên hơn vi c hai photon so vi ưc phép nu s phân cc là mt tính cht cc b tht s ca
các photon.
Ví d, xét s phân cc ca các photon. Mt photon c thân có th b phân cc theo mt
hưng c bit, nói ví d là theo phương ngang, và chúng ta có th o s phân cc này bng cách
cho photon i qua mt kính phân cc nh hưng ngang. Mt ting tách trên máy dò photon t
phía sau nó xác nhn phép o là thành công và cho thy photon ó b phân cc ngang; còn không
có ting tách có nghĩa là photon b phân cc theo phương thng ng. Tuy nhiên, trong trưng

hp mt cp photon b ri, tng photon riêng r hóa ra không mang bt kì s phân cc c bit
nào trưc khi chúng ưc o! Vic o s phân cc ngang ca mt trong các photon s luôn luôn
cho kt qu ngu nhiên, do ó khin nó có kh năng tương ương nhau tìm thy mt photon phân
cc ngang hay phân cc dc. Cho n nay, vic tin hành cùng phép o trên photon kia ca cp b
ri (gi s mt loi trng thái ri nht nh nào ó) s cho thy c hai photon b phân cc theo
76 o | © hiepkhachquay

hưng ging nhau. iu này úng cho mi hưng o và c lp vi khong cách không gian ca
các ht.
Bt ng thc Bell ã m ra kh năng kim tra nhng gi thuyt nn tng nht nh ca
các lí thuyt vt lí – và n lc nghiêm túc ưc Abner Shimony thuc i hc Boston gán cho là
“siêu hình hc thc nghim”. Trong các thí nghim Bell như th, hai nhà quan sát  xa o s phân
cc ca các ht ri theo nhng hưng khác nhau và tính ra s tương liên gia chúng. Vì tương
quan lưng t gia các phép o phân cc c lp trên các ht ri có th mnh hơn nhiu so vi
ưc phép bi bt c lí thuyt hin thc cc b nào, nên bt ng thc Bell s b vi phm.
Các lỗ thòng lọng lượng tử
Phép kim tra u tiên như th ã ưc tin hành, s dng các photon ri vào năm 1972,
bi Stuart Freedman và John Clauser thuc i hc California  Berkeley; bt ng thc Bell b
vi phm và các tiên oán ca thuyt lưng t ưc xác nhn (Phys. Rev. Lett. 28 938). Nhưng t
sm ã tn ti mt s l thòng lng khin các nhà nghiên cu không th nào loi tr mi mô hình
“hin thc cc b” có th có như nhng li gii thích cho các tương quan quan sát thy. Ví d, có
th là các ht ưc phát hin không phi là vt mu hp lí ca mi ht do ngun phát ra (cái gi là
lô thòng lng dò tìm) hoc các b phn khác nhau ca thí nghim có th vn ni kt nhau theo
kiu nhân qu (l thòng lng cc b).  khép kín nhng l thòng lng này, nhng iu kin thc
nghim nghiêm t hơn phi ưc tha mãn.
Năm 1982, Alain Aspect và các òng s ti Université Paris-Sud  Orsay, Pháp, ã tin
hành mt lot thí nghim tiên phong rt gn vi  xut ban u ca Bell. i nghiên cu ã b
trí hai cơ cu dò tim hai kênh  tránh ưa ra các gi nh v photon không i qua bn phân cc
(Phys. Rev. Lett. 49 91), và các nhà nghiên cu còn thay i tun hoàn – và do ó mang tính tin
nh s nh hưng ca các bn phân cc sau khi các photon ưc phát ra khi ngun (Phys. Rev.

Lett. 49 1804). C dưi nhng iu kin cht ch hơn này, bt ng thc Bell vn b vi phm
trong c hai trưng hp, vì th làm gim áng k cơ hi gii thích mang tính hin thc cc b v
s ri lưng t.
Năm 1998, mt trong hai tác gi hin nay (AZ) và các ng s, khi ó  trưng i hc
Innsbruck, ã khép kín l thòng lng cc b bng cách s dng hai máy phát s ngu nhiên lưng
t c lp hoàn toàn  thit t hưng ca các phép o photon. iu này có nghĩa là hưng mà
s phân cc ca tng photon ưc o ưc quyt nh  thi khc cui cùng, sao cho không có
tín hiu nào (yêu cu phi truyn chm hơn tc  ánh sáng) có th truyn thông tin n phía bên
kia trưc khi photon ó ưc ghi nhn (Phys. Rev. Lett. 81 5039). Bt ng thc Bell b vi phm.
77 Tuyn Physics World 2008 | © hiepkhachquay

Sau ó, vào năm 2004, David Wineland và các cng s ti Vin Tiêu chuNn và Công ngh
quc gia (NIST)  Colorado, Mĩ, bt u khép kín l thòng lng dò tìm bng cách s dng các
máy dò vi hiu sut hoàn ho trong mt thí nghim liên quan ti các ion beryllium ri (ature
409 791). Mt ln na, bt ng thc Bell b vi phm. Tht vy, mi kt qu tính n khi ó u
cho thy không có lí thuyt hin th c cc b nào có th gii thích s ri lưng t.

Trong cái gi tên là thí nghim GHZ, ví d, s phân cc tròn ca hai photon thuc trng thái ri ba photon cho phép
cơ hc lưng t tiên oán vi  chc chn s phân cc thng ca photon th ba (trên cùng), trong trưng hp này nó
phân cc ngang. Thuyt hin thc cc b s tiên oán s phân cc thng trc giao – trong trưng hp này là thng
ng.
78 o | © hiepkhachquay

Nhưng phép kim tra cui cùng ca nh lí Bell vn thiu sót: mt thí nghim ơn l kép
kín mi l thòng lng mt lúc. Rt không có kh năng là mt thí nghim như th s mâu thun vi
tiên oán ca cơ hc lưng t, vì iu này ng ý rng t nhiên s dng c l thòng lng dò tìm
trong thí nghim Innsbruck ln l thòng lng cc b trong thí nghim NIST. Tuy nhiên, t nhiên
có th là có thiu sót, và mt thí nghim như vy là áng thc hin nu chúng ta cui cùng khép
quyn sách li  thuyt duy thc cc b.
Năm 1987, Daniel Greenberger thuc New York City College, Michael Horne thuc

Stonehill College và AZ (nhóm GHZ) nhn ra s ri ca ba hay nhiu ht hơn s mang li mt
ràng buc còn mnh m hơn lêm thuyt duy thc cc b so vi s ri hai ht (Am. J. Phys. 58
1131). Trong khi hai ht b ri không ăn khp vi thuyt duy thc cc b ch  các tính cht
thng kê ca chúng, ó là iu ct lõi ca nh lí Bell, thì ba ht ri có th to ra s mâu thun
trc tip  mt kt qu o ơn l vì các phép o trên hai trong s các ht cho phép chúng ta tiên
oán chc chn tính cht ca ht th ba.
Nhng thí nghim u tiên v ba photon ri ưc tin hành vào cui năm 1999 bi AZ và
các cng s, và h làm sáng t mt iu ni vt phù hp vi thuyt lưng t (ature 403 515).
Trong chng mc nào ó, mi phép kim tra v bt ng thc Bell và v ba ht ri (gi là thí
nghim GHZ) xác nhn các tiên oán ca thuyt lưng t, và do ó mâu thun vi gi thuyt
chung ca thuyt duy thc và thuyt cc b là gi thuyt cơ s ang phát huy tác dng cho mi lí
thuyt vt lí mun gii thích các im ca nhng ht b ri.
Khoa học thông tin lượng tử
Nhiu thí nghim tuyt vi ã ưc thc hin vào nhng ngày u ca quang hc lưng t
thúc Ny s hng thú tr li vi nhng khái nim cơ bn ca vt lí lưng t. Bng chng cho iu
này có th thy, ví duk,  s lưng trích dn mà bài báo EPR nhn ưc, nó tranh lun rng s ri
làm cho mô t cơ lưng t ca thc ti vt lí là không hoàn chnh. Bài báo ó ưc trích dn ch
khong 40 ln t khi nó xut bn năm 1935 n năm 1965, ngay sau khi Bell phát trin bt ng
thc ca ông. Cho n nay, nó có hơn 4000 trích dn, vi trung bình 200 ln trích dn mi năm k
t năm 2002. Mt phn lí do cho s gia tăng này là các nhà nghiên cu t nhiu lĩnh vc khác bt
u nhn ra nhng h qu ngon mc ca vic s dng s ri và các khái nim lưng t khác 
mã hóa, truyn ti và x lí thông tin.
S dng mt mã lưng t, áp dng tính ngu nhiên, s chng cht và, trong mt cơ cu do
Artur Ekert thuc i hc Oxford  Anh  xut, s ri hai ht  truyn thông tin chng trm
mt cách an toàn ưc m bo bi nh lut vt lí. ng dng này ca khoa hc thông tin lưng
79 Tuyn Physics World 2008 | © hiepkhachquay

t ã ra khi môi trưng phòng thí nghim. Vào năm 2004, chng hn, AZ và các cng s ti i
hc Vienna ã chuyn tin an toàn gia mt ngân hàng Áo và Vienna City Hall bng các cp
photon ri do laser phát ra trong mt quá trình quang phi tuyn và ưc phân phi thông qua si

quang. Gn ây hơn, hai chương trình hp tác quc t ã có th phân phi các photon ri trên
khong cách 144 km gia La Palma và Tenerife, bao gm mt minh chng ca mt mã lưng t,
và hi u năm nay còn cho thy nhng ưng truyn như th có th ưc thit lp trong không
gian bng cách cho phn x các xung laser ã làm yu ti mc photon c thân ra khi v tinh tr
li trm thu  mt t. Các sn phNm mt mã lưng t thương mi da trên các xung laser ã làm
yu ã có mt trên th trưng, và thách thc hin nay là thu ưc tc  bit cao hơn và truyn 
nhng khong cách xa hơn.

Mt mã lưng t, cho phép thông tin ưc gi i hoàn toàn an toàn gia hai nơi, hot ng da trên s ri. Các cp
photon b by phân cc ưc phân phi gi Alice và Bob, h mun chia s mt tin nhn bí mt (trong trưng hp này
là nh ca hình nm thn V n ni ting x Willendorf). o s phân cc ca tng photon b by riêng r s cho mt
kt qu hoàn toàn ngu nhiên. Tuy nhiên, nu Alice và Bob tin hành phép o theo hưng phân cc ging nhau, thì
kt qu ca h luôn luôn ging nhau trong tng cp b by. Bng cách o nhiu cp, Alice và Bob thu ưc chui s
ngu nhiên ging nhau, khi ó h s dng nó làm khóa bo mt. Alice trn khóa ca cô (góc trên bên trái) vi hình
gc (phía dưi bên trái). Hình nh mã hóa ( gia phía dưi) là an toàn vi k nghe trm vì tính ngu nhiên ca khóa.
Tuy nhiên, Bob có th d dàng gii mã tin nhn bng khóa ca anh ta (góc dưi bên phi). K nghe trm tim tàng có
th b phát hin vì vic can thip vi các photon ca cp b by làm phá hng s ri. ây là h qu ca nguyên lí bt
nh, và do ó tính an toàn ca mt mã lưng t ưc m bo. Thí nghim ban u chng minh hiu ng này ưc
tin hành bi mt i ti i hc Innsbruck vào năm 1998 trên khong cách hơn 300 m (Phys. Rev. Lett. 84 4729).
80 o | © hiepkhachquay

Theo kiu tương t, con ưng dn ti các thí nghim GHZ ã m ra lĩnh vc rng ln
ca s ri nhiu ht, nó có ng dng, trong s nhng th khác, trong o lưng lưng t. Ví d, sai
s ln hơn  s lưng photon ri trong giao thoa k dn ti sai s nh hơn trong pha ca chúng,
nh ó mang li phép o chính xác hơn so vi mt thí nghim tương t s dng cùng s lưng
photon không b ri.

Máy tính lưng t, bng cách x lí thông tin thông qua trng thái ca các h lưng t như nguyên t và photon, ha
hn s làm tt hơn máy tính c in trong nhng nhim v nht nh. Mt phương pháp ch to mt mu thc tin
ca mt dng c như th là cái gi là máy tính lưng t mt chiu. ưc  xut vào năm 2001, nó hot ng trên s

ri. Trong s hin thc hóa lưng t, năng lưng phát ra t mt laser bơm i qua tinh th beta barium borate (BBO)
phi tuyn hai ln  làm phát ra hai cp photon ri, nghĩa là bn mode không gian cha bn photon c thy. S chng
cht kt hp  hai b tách chùm phân cc m bo bn photon ưc phát hin cui cùng  trong “trng thái ám”,
bit nơi t thích hp ca các bn na sóng và bn phân cc. K t năm 2005, các thí nghim chng-minh-khái-nim
( trên) vi cơ cu máy tính lưng t cơ bn này ã cho phép thc hành in toán thut toán tìm kim Grover, mt
song  ca tù nhân lưng t và chng minh không gian con tách kt hp t do (như yêu cu i vi in toán lưng
t th-sai) ã ưc thc hin.
S ri nhiu ht còn thit yu cho tính toán lưng t. Tính toán lưng t khai thác các
hin tưng lưng t cơ bn cho phép các phép tính ưc thc hin vi tc  chưa tng thy – có
81 Tuyn Physics World 2008 | © hiepkhachquay

l còn gii ưc nhng bài toán quá phc tp i vi máy tính thông thưng, ví d như phân tích
tha s thành nhng s nguyên t ln hoc cho phép tìm kim cơ s d liu tht nhanh. Ý tưng
ch cht ng sau phép tính toán lưng t là mã hóa và x lí thông tin trong các h vt lí tuân
theo các quy lut ca cơ hc lưng t. Nhiu nghiên cu hin nay, do ó, dành cho tìm kim các
bit lưng t, hay “qubit” xác thc có th liên kt vi nhau  hình thành các thanh ghi và cng
lôgic tương t như trong máy tính thông thưng, chúng s cho phép các thut toán lưng t trn
vn ưc thc hin.
Tuy nhiên, vào năm 2001, Robert Raussendorf và Hans Briegel, khi ó làm vic ti i
hc Munich  c, ã  xut mt l trình khác cho in toán lưng t da trên “trng thái ám”
nhiu ht b ri cao  (Phys. Rev. Lett. 86 5188). Trong cơ cu này, gi là in toán lưng t
“mt chiu”, mt phép tính in toán ưc thc hin bng cách o tng ht ca trng thái ám ri
trong mt chui c bit xác nh bi phép tính nht nh ưc tin hành. Tng ht ưc o
không còn b ri vi nhng ht khác và do ó không sn sàng cho phép in toán khác na.
Nhưng nhng ht ó vn  trong trng thái ám sau khi tng phép o theo ui mt trng thái c
bit tùy thuc vào phép o nào ưc tin hành. Vì kt qu o ca bt kì ht b ri riêng r nào
cũng hoàn toàn ngu nhiên, nên các trng thái khác nhau thu ưc cho các ht còn li sau tng
phép o. Nhưng ch trong mt trưng hp c bit trng thái còn li là trng thái thích hp. Ý
tưng then cht ca Raussendorf và Briegel là loi tr s ngu nhiên ó bng cách to ra chui
phép o c bit tùy thuc vào kt qu trưc ó. Toàn b cơ cu, vì th, miêu t mt máy tính

lưng t quyt nh lun, trong ó các ht còn li vào cui tt c phép o mang li kt qu ca
phép in toán.
Năm 2005, các tác gi hin nay và ng nghip  Vienna ã chng minh nguyên lí in
toán lưng t mt chiu và c mt thut toán tìm kim ơn gin s dng trng thái ri bn photon
(ature 434 169). Sau ó, vào năm 2007, Jian-Wei Pan thuc i hc Khoa hc và Công ng
Trung Hoa  Hefei và các cng s ã thc hin mt cơ cu tương t gm sáu photon. Mt thun
li d nhn thy ca máy tính lưng t mt chiu là tc  chưa tng có ca nó, vi thi gian t
phép o ca mt photon ti phép o tip theo, tc là mt chu kì in toán, mt không hơn 10 ns.
Vấn đề phát sinh
Công ngh phát trin trong 20 năm qua làm cho vic x lí và truyn thông tin lưng t tr
thành hin thc mang li cho các nhà nghiên cu quyn iu khin chưa tng có tin l trên tng
h lưng t riêng l. Ví d, ngày nay rõ ràng là in toán lưng t photon tính hoàn toàn là có th
nhưng nó yêu cu các ngun phát photon b ri và photon c thân thun khit cao, cng vi kh
năng iu khin xác thc trng thái lưng t ca các photon hay nhng h lưng t khác trong
82 o | © hiepkhachquay

phn nh ca nano giây. Nhng công c cn thit cho s phát trin này và nhng phát trin khác
ã và ang ưc ci thin liên tc, t nó ã m ra nhng cách thc hoàn toàn mi  khám phá
nhng câu hi sâu sc phát sinh bi thuyt lưng t.
Mt câu hi như th mt ln na là nói v quan nim v tính cc b và tính duy thc.
Toàn b nhóm thí nghim Bell và GHZ tin hành trong các năm cho thy ít nht là mt trong hai
gi thuyt này là không tương thích  mô t th gii vt cht (ít nht là chng nào mà các trng
thái ri còn có tham gia). Nhưng nh lí Bell không cho phép chúng ta nói gi thuyt nào trong
hai gi thuyt phi vt b.

Trong mt thí nghim kiu Legget, các tương quan gia s phân cc thng i vi mt photon và phân cc elip ca
photon kia có th ch ra là ã vi phm th gii quan duy thc, cho dù là s truyn thông phi cc b tc thi ưc phép.
Như biu din trong hình, s phân cc tròn và elip ca các photon c thân có th o bng nhng kt hp thích hp
ca bn mt phn tư sóng và bn phân cc thng.
Năm 2003, Anthony Leggett thuc i hc Illinois ti Urbana-Champaign  Mĩ ã cung

cp mt câu tr li b phn bng cách ưa ra mt nh lí xung khc mi mang rt nhiu tinh thn
ca thuyt Bell, nhưng vi mt tp hp gi thuyt khác. (Found. Phys. 33 1469). Ý tưng ca ông
là vt b gi thuyt cc b và nêu câu hi không bit, trong mt tình hung như th, mt quan
nim hp lí v thuyt duy thc – c th là quy mt s phân cc n nh là tính cht “tht” ca
tng ht trong mt cp b ri – có   làm hi sinh trn vn thuyt lưng t. Qua trc giác,
ngưi ta có th trông i rng nhng tác dng phi cc b ã chn úng có th to ra các tương
quan tùy ý. Sau ht thy, nu bn cho phép kt qu phép o ca mình ph thuc vào mi th ang
tin trin trong toàn b vũ tr (k c ti v trí ca thit b o th hai), thì ti sao bn phi ch ơi
mt s ràng buc lên nhng tương quan ó ?
83 Tuyn Physics World 2008 | © hiepkhachquay

Trong trưng hp c bit ca mt cp photon phân cc b ri, lp lí thuyt duy thc phi
cc b Leggett bt u kim tra nhng gi thuyt sau ây: tng ht ca mt cp phát ra t ngun
vi mt s phân cc rõ ràng; và các nh hưng phi cc b có mt sao cho tng kt qu o riêng l
có th ph thuc vào bt kì thông s nào  mt khong cách tùy ý tính t phép o. Các tiên oán
ca nhng lí thuyt như th vi phm các bt ng thc Bell ban u do các tác dng phi cc b
ưc phép, nên tht là t nhiên nu nêu câu hi không bit chúng có kh năng làm hi sinh toàn
b nhng tiên oán ca thuyt lưng t hay không.
Leggett ch ra rng ây không phi trưng hp ó. Tương t như Bell, ông ngĩ ra mt h
bt ng thc cho nhng phép o nht nh trên hai ht b ri tha mãn bi mi lí thuyt da trên
nhng gi thuyt duy thc phi cc b này nhưng chúng b vi phm bi các tiên oán thuyt lưng
t. Vic kim tra h bt ng thc Leggett thì mang tính thách thc hơn so vi kim tra h bt
ng thc Bell vì chúng yêu cu các phép o phân cc thng ln phân cc elip và s ri cht
lưng cao hơn nhiu. Nhưng vào năm 2007, nh s tin b vưt bc ưc thc hin vi các
ngun photon b by, các tác gi hin nay và ng s  Vienna ã có th kim tra mt bt ng
thc Leggett v mt thc nghim bng cách o các tương quan gia s phân cc thng và phân
cc elip ca các photon ri (ature 446 871).
Thí nghim xác nhn các tiên oán ca thuyt lưng t và do ó loi tr mt lp rng các
lí thuyt duy thc phi cc b là mt cơ s khái nim cho các hin tưng lưng t. Ging vi s
tin trin ca các thí nghim Bell, các thí nghim Leggett nghiêm ngt hơn nhanh chóng ưc

theo ui. Ví d, các thí nghim c lp tin hành vào năm 2007 bi i Vienna (Phys. Rev. Lett.
99 210406) và bi các nhà nghiên cu ti i hc Geneva và i hc quc gia Singapore (Phys.
Rev. Lett. 99 210407) xác nhn mt s vi phm ca bt ng thc Leggett dưi nhng gi thuyt
ci m hơn, t ó m rng lp mô hình duy thc phi cc b b cm. Hai th là rõ ràng t nhng
thí nghim này. Th nht, nó không   vt b hoàn toàn quan nim v tính cc b. Th hai,
ngưi ta phi t b ít nht là quan nim duy thc cht phác rng các ht có nhng tính cht nht
nh (trong trưng hp ca chúng ta là s phân cc) thì c lp vi mi quan sát.
hững giới hạn vĩ mô
nh hưng qua li gn gũi gia khoa hc thông tin lưng t và tính hiu kì cơ bn còn
ưc chng minh bi mt s thí nghim hp dn bao hàm các ht nng hơn. Theo thuyt lưng
t, không có gii hn trên thc cht nào lên kích thưc hay tính phc tp ca h vt cht trên ó
các hiu ng lưng t không còn xy ra. ây là tâm im ca nghch lí con mèo ni ting ca
Schrödinger, giu ct tình hung o bng cách  xut mt thí nghim nh ó ngưi ta có th làm
84 o | © hiepkhachquay

cho mt con mèo  vào s chng cht ca s sng và cht. Mt trưng hp c bit hp dn là s
giao thoa “sóng vt cht”.
Electron, neutron và nguyên t ã ưc làm cho biu hin các hiu ng giao thoa khi i
qua mt khe ôi, do ó chng t rng các h nng này không ch i qua khe này hoc khe kia.
Hành trng tương t ã ưc quan sát thy gn ây hơn vào năm 1999 bi AZ và các ng s ti
Vienna i vi các phân t fullerene tương i ln carbon-60 và carbon-70 (ature 401 680), và
các nghiên cu ang trin khai ã chng minh s giao thoa i vi các h còn nng hơn và ln
hơn na. Mt trong nhng mc tiêu ch yu ca nghiên cu này là nhn ra s giao thoa lưng t
i vi các virus nh hay có l còn vi c vi khuNn nano.

Bng cách nghiên cu hành trng cơ lưng t ca các i tưng ngày càng ln hơn và nng hơn, các nhà nghiên cu
có ưc mt cơ hi tt hơn  xây dng máy tính lưng t xác thc hoc phát trin nhng ng dng khác ca khoa
hc thông tin lưng t. K lc th gii hin nay cho i tưng nng nht biu hin s giao thoa lưng t trong mt thí
nghim hai khe, tc là  chng minh hành trng kiu sóng bt chp c im kiu ht ca chúng, là phân t
fluorinate fullerene C

60
F
48
vi khi lưng bng 1632 ơn v khi lưng nguyên t (hình trên bên trái) (Phys. Rev. Lett.
91 090408). i tưng ln nht biu hin s giao thoa là phân t “azobenzene” (hình dưi) (ature Physics 3 711),
như chng minh bi i ca Markus Arndt ti i hc Vienna. Dng c cng hưng cơ (hình trên bên phi) n nay
vn chưa i vào a ht, nhưng iu này có th sm thay i vi nhng i tưng ó ưc làm lnh ti trng thái
lưng t cơ bn ca chúng. Dng c cng hưng c bit này cha mt cái gương phn x cao t trên mt u mút
kp dao ng, nó có th ưc khi ng thông qua áp sut bc x kt hp vi mt hp quang tinh vi cao.
85 Tuyn Physics World 2008 | © hiepkhachquay

Rt gn ây, kh năng làm lnh các dng c vi cơ n nhng nhit  rt thp ã m ra
mt con ưng mi  kim tra các h cha lên ti 10
20
nguyên t. Mt mc tiêu hp dn ca các
thí nghim kho sát th gii lưng t ca các u mút cơ là chng minh s ri gia mt h vi mô
như mt photon và mt h cơ- hay c gia hai h cơ.
Trong khi ng cơ thúc Ny nghiên cu các h lưng t vĩ mô là s hiu kì thun túy, thì
nghiên cu ã chm ti nhng câu hi quan trng trong khoa hc thông tin lưng t. ây là vì
các h lưng t càng ln hay phc tp thì càng tương tác vi môi trưng xung quanh chúng, iu
ó quan trng i vi các phân t vĩ mô hay u mút khi nó làm các thanh ghi ln ca mt máy
tính lưng t.
Mt h qu ca tương tác này vi th gii bên ngoài là “s tách kt hp”, qua ó h thc
s tr nên b ri vi môi trưng và vì th mt trng thái lưng t riêng ca nó. Kt qu là các
phép o ca h ó không còn có th hé m bt kì du hiu lưng t nào. Vic tìm cách tránh s
tái kt hp do ó là ch  nóng trong các thí nghim lưng t vĩ mô ln trong khoa hc thông tin
lưng t. Vi các phân t fullerene chng hn, hiu ng tách kt hp ã ưc nghiên cu ht sc
cn k vào năm 2004 bng cách ghép ôi chúng vi môi trưng bên ngoài theo nhng cách khác
nhau, có th iu chnh ưc (ature 427 711). T quan im thc nghim, chúng ta thy không
có lí do gì trông i s tách kt hp không th vưt qua i vi các h vĩ mô hơn nhiu so vi có

th thc hin lúc này trong phòng thí nghim.
Tính hiếu kì lượng tử
Vt lí lưng t và khoa hc thông tin mà nó ã thúc Ny ra i là hai mt ca mt ng
tin: là cm hng cho nhng phương pháp mi v mt khái nim i vi nhng ng dng  mt
này; và là hp công c cho phép nhng câu hi cơ bn mi  mt bên kia. Thưng xy ra là
nhng công ngh mi làm phát sinh nhng nghi vn không ưc tr li trưc ó, ơn gin vì
ngưi ta không th tưng tưng cái gì ã tr nên có th thc hin trong phòng thí nghim.
Mt trưng hp như th là kh năng ca chúng ta ang tăng lên vi vic iu khin các h
lưng t phc tp tn ti trong không gian Hilbert cao chiu – không gian toán hc trong ó các
trng thái lưng t ưc mô t. a s nhng câu hi cơ s ã bit trong thuyt lưng t cho n
nay ch áp dng các h tương i ơn gin, còn các chiu không gian Hilbert cao hơn có th mang
li nhng c im nh lưng mi cho cách hiu nn vt lí lưng t. Chúng ta b thuyt phc
rng nhiu bt ng ang ch chúng ta  ó.
86 o | © hiepkhachquay

Chúng ta mong rng nhng phát trin lí thuyt và thc nghim trong tương lai s làm sáng
t hơn na các c im phn trc giác ca thuyt lưng t tht s không th thiu ưc trong mô
t ca chúng ta v th gii vt lí. Trong khi làm như vy, chúng ta trông i thu ưc cái nhìn sâu
sc hơn v câu hi cơ bn nn tng rng thc ti là gì và làm th nào mô t nó. Mi quan h gn
gũi gia tính hiu kì cơ bn ca th gii lưng t và ng dng ca nó trong khoa hc thông tin có
l còn ưa n nhng ý tưng cho vt lí hc vưt ngoài khuôn kh cơ hc lưng t.
Tóm tắt
Cơ hc lưng t ã thách thc các quan nim mang tính trc giác v thc ti, ví d như tính cht
ca mt ht có tn ti hay không trưc khi mt phép o ưc tin hành trên nó.
S ri là mt trong nhng khía cnh khó hiu nht ca thuyt lưng t; nó ng ý rng các kt qu
o trên hai ht là quan h cht ch vi nhau mt cách tc thi cho dù là chúng  cách nhau bao xa
chăng na.
K t thp niên 1970, các thí nghim nhiu ln cho thy thuyt lưng t là úng, nhưng các nhà
nghiên cu vn ang nghĩ ra thêm các phép o  tìm xem cơ hc lưng t cho chúng ta bit iu
gì v thc ti vt lí.

Nhng phép kim tra này ã làm phát sinh ra mt lĩnh vc mi gi là khoa hc thông tin lưng t,
trong ó s ri và nhng hin tưng lưng t khác ưc s dng  mã hóa, truyn ti và x lí
thông tin theo nhng phương pháp mi trit .
Mc  iu khin tăng dn trên tng h lưng t riêng r chi phi nn khoa hc thông tin lưng
t ngày nay cho phép các nhà vt lí bàn bc ln na v nhng nan  cơ bn phát sinh bi thuyt
lưng t.
Tài liệu tham khảo:
M Arndt, K Hornberger and A Zeilinger 2005 Probing the limits of the quantum world Physics
World March pp35–40
D Bouwmeester et al. (ed) 1999 The Physics of Quantum Information (Springer, Heidelberg)
A Steinberg et al. 1996 Quantum optical tests of the foundations of physics The American
Institute of Physics Atomic, Molecular, and Optical Physics Handbook (ed) G W F Drake (AIP
Press)
A Zeilinger et al. 2005 Happy centenary, photon ature 433 239
87 Tuyn Physics World 2008 | © hiepkhachquay

Tác gi: Markus Aspelmeyer hin ang làm vic ti Vin Quang hc lưng t và Thông tin lưng
t (IQOQI) thuc Vin Hàn lâm Khoa hc Áo  Vienna; và Anton Zeilinger hin làm vic ti i
hc Vienna và cũng  IQOQI.
hiepkhachquay dch
Ngun: A quantum renaissance (Physics World, tháng 7/2008)
An Minh, ngày 05/07/2008, 11:13:02