Hai bí ẩn lượng tử hòa làm một

Một đội nghiên cứu quốc tế vừa chứng minh được rằng hai phương diện đặc biệt của thế giới lượng tử – trước đây được xem là khác biệt nhau – là những hiện thân khác nhau của cùng một thứ. Kết quả công bố trên tạp chí Nature Communications số ra ngày 19/12/2014.

Patrick Coles, Jedrzej Kaniewski, và Stephanie Wehner đã thực hiện đột phá trên tại Trung tâm Công nghệ Lượng tử thuộc Đại học Quốc gia Singapore. Họ tìm thấy rằng ‘nguyên lí bất định’ lượng tử ngụy trang, suy giản hai bí ẩn xuống còn một.

“Liên hệ giữa sự bất định và lưỡng tính sóng-hạt hóa ra là rất tự nhiên khi bạn xem chúng là những câu hỏi về những thông tin gì mà bạn có thể thu được về một hệ. Kết quả của chúng tôi làm nổi bật sức mạnh của lối tư duy về vật lí học từ góc độ thông tin học,” phát biểu của Wehner, hiện là phó giáo sư tại QuTech, Đại học Delft, Hà Lan.

Khám phá trên làm sâu sắc thêm nhận thức của chúng ta về vật lí lượng tử và có thể thúc đẩy những ứng dụng mới cho lưỡng tính sóng-hạt.

Vật lí lượng tử phát biểu rằng các hạt có thể hành xử giống như sóng, và ngược lại. Nghiên cứu mới công bố trên tạp chí Nature Communications chứng minh rằng ‘lưỡng tính sóng-hạt’ này đơn giản là nguyên lí bất định lượng tử trá hình.

Những khái niệm cơ bản

thí nghiệm khe đôi, trong đó các hạt độc thân, ví dụ electron, được chiếu từng hạt một vào màn hứng chứa hai khe hẹp. Các hạt tích góp phía sau hai khe không phải thành hai chồng như các vật cổ điển hành xử, mà thành một hệ vân sọc giống như cái bạn muốn thấy từ sự giao thoa sóng. Ít nhất thì đây là cái xảy ra cho đến khi bạn nhìn trộm xem một hạt đi qua khe nào – và nếu bạn làm như thế thì hệ vân giao thoa không còn nữa.

Nguyên lí bất định lượng tử là quan điểm cho rằng người ta không thể biết đồng thời những cặp thông tin nhất định về một hạt lượng tử. Ví dụ, bạn biết vị trí của một nguyên tử càng chính xác, thì bạn biết tốc độ mà nó đang chuyển động càng kém chính xác. Nó là một giới hạn về tính khả tri căn bản của tự nhiên, chứ không phải một phát biểu về kĩ năng đo lường. Nghiên cứu mới chứng minh rằng lượng thông tin mà bạn có thể biết về hành trạng sóng so với hành trạng hạt của một hệ bị ràng buộc theo kiểu giống y như vậy.

Lưỡng tính sóng-hạt và sự bất định là những khái niệm căn bản trong vật lí lượng tử kể từ đầu thế kỉ hai mươi. “Chúng tôi được chỉ dẫn bởi một cảm giác từ tâm can, và chỉ một cảm giác từ tâm can, rằng phải có một liên hệ nào đó,” phát biểu của Coles, hiện là nghiên cứu sinh hậu tiến sĩ tại Viện Điện toán Lượng tử ở Waterloo, Canada.

Người ta có thể viết ra các phương trình thâu tóm lượng thông tin có thể biết được về những cặp tính chất bị ảnh hưởng bởi nguyên lí bất định. Coles, Kaniewki và Wehner là các chuyên gia trong lĩnh vực chuyên xử lí những phương trình như thế, gọi là “các liên hệ bất định entropic”, và họ phát hiện thấy toàn bộ cơ sở toán học trước đây dùng để mô tả lưỡng tính sóng-hạt có thể được thiết lập lại ở dạng những liên hệ này.

>> Mời xem thêm bài viết Một chút về Nguyên lý bất định (Đàm Thanh Sơn)

Thành công quan trọng

“Tựa như là chúng tôi đã tìm thấy ‘Viên đá Rosetta’ phiên dịch hai ngôn ngữ khác nhau vậy,” Coles nói. “Văn chương về lưỡng tính sóng-hạt ví như những chữ viết tượng hình mà nay chúng tôi đã có thể phiên dịch sang giọng mẹ đẻ của chúng ta. Chúng tôi đã có một số thời khắc eureka khi cuối cùng chúng tôi đã hiểu cái mà người ta đã làm,” ông nói.

Vì các liên hệ bất định entropic được sử dụng trong bản phiên dịch của họ cũng được sử dụng trong việc chứng minh tính bảo an của mật mã học lượng tử – lĩnh vực truyền thông an toàn sử dụng các hạt lượng tử – nên các nhà nghiên cứu đề xuất rằng nghiên cứu trên có thể giúp truyền cảm hứng cho những giao thức mật mã mới.

Trong những bài báo trước đây, Wehner và các cộng sự đã tìm thấy các liên hệ giữa nguyên lí bất định và những quy luật vật lí khác, đó là ‘tính phi định xứ’ lượng tử và định luật thứ hai của nhiệt động lực học. Mục tiêu trước mắt cho các nhà nghiên cứu là nghĩ xem những mảnh ghép này khớp với nhau như thế nào và bức tranh to lớn hơn sơn vẽ cách cấu trúc của tự nhiên có diện mạo ra sao.

Tham khảo: