Phép biến-hiện

[Robot]

Bước nhảy vọt của phép biến-hiện

Các nhà khoa học Áo đã truyền thành công các photon (hạt ánh sáng) qua sông Danube tại Vienna bằng cách sử dụng phép biến-hiện (teleportation). Kỳ tích này làm mọi người nhớ lại... bộ phim khoa học viễn tưởng "Star Trek".


Phép biến-hiện còn lâu mới có thể áp dụng cho người.
Rupert Ursin, một nhà nghiên cứu thuộc Viện Vật lý Thí nghiệm, ĐH Vienna, cho biết: ''Chúng tôi đã có thể thực hiện thí nghiệm viễn thông biến hiện lượng tử lần đầu tiên bên ngoài phòng thí nghiệm''. Để làm điều này, các chuyên gia đã đọc ''chi tiết'' của photon mà họ cần chuyển. Sau đó, họ phá vỡ photon thành các hạt nhỏ hơn gọi là bit lượng tử rồi gửi những bít đó cùng với các chi tiết qua một đường cáp quang dài 800m. Tuyến cáp nằm trong một đường ống thoát nước dưới sông Danube. Ở đầu bên kia sông, bản sao như thật của các photon gốc được tạo ra và photon gốc... ngừng tồn tại.

Viễn thông biến-hiện được định nghĩa là việc làm cho một vật thể hoặc con người "tan rã" ở một nơi trong khi một bản sao hoàn hảo xuất hiện ở một nơi khác. Cách làm điều trên thường không được giải thích chi tiết song ý tưởng chung dường như là vật thể ban đầu được quét sao cho thu thập được mọi thông tin chính xác từ nó rồi chuyển thông tin đó tới địa điểm nhận. Thông tin này được sử dụng để tạo ra một bản sao giống hệt, không nhất thiết phải bằng vật liệu của vật thể ban đầu mà có lẽ là các nguyên tử cùng loại được sắp xếp theo hình mẫu của vật thể ban đầu.

Một chiếc máy viễn thông biến-hiện sẽ giống như máy fax, ngoại trừ việc nó xử lý những vật thể hoặc tài liệu ba chiều. Nó sẽ tạo ra một bản sao chính xác chứ không phải là bản sao tương tự, đồng thời phá huỷ vật thể ban đầu trong tiến trình quét nó để lấy thông tin.

Một vài nhà văn sáng tác thể loại tiểu thuyết khoa học viết rằng thiết bị viễn thông biến-hiện bảo vệ vật thể ban đầu và câu chuyện trở nên kịch tính hơn khi... hai phiên bản của cùng một người gặp nhau. Tuy nhiên, loại thiết bị viễn thông biến-hiện phổ biến hơn thường phá huỷ vật thể ban đầu và không ai mong đợi có thể vận chuyển con người theo cách đó, bởi phải có một cỗ máy phân tích hàng nghìn tỷ nguyên tử cấu tạo nên cơ thể người.

[Robot]

Phép biến-hiện lượng tử đã tiến triển từ tiểu thuyết khoa học tới hiện thực. Tuy nhiên, nó vẫn chưa thể làm cho một người biến mất tại một địa điểm và ngay lập tức xuất hiện ở một địa điểm khác. Các nhà khoa học hiện chỉ hy vọng công nghệ này có thể đóng vai trò quan trọng đối với mật mã lượng tử và máy tính lượng tử - các lĩnh vực hứa hẹn làm cho máy tính nhanh hơn nhiều và bảo mật 100%.

Trong phép biến-hiện lượng tử, các đơn vị tí hon của thông tin máy tính, gọi là bit lượng tử, được chuyển từ nơi này tới nơi khác. Công nghệ này được gọi là viễn thông biến-hiện bởi thông tin được di chuyển hành động giống một vật thể nhiều hơn so với thông tin bình thường. Theo Ursin, nếu bạn viết một e-mail, bạn đang gửi một thứ gì đó vào đường cáp quang nơi nó sẽ di chuyển rồi đi ra ở đầu bên kia. Tuy nhiên, với phép biến-hiện lượng tử, bạn sẽ không tìm thấy toàn bộ thông tin mà bạn đã gửi bên trong sợi cáp. Thông tin bị tan rã và tập hợp lại với nhau ở đầu bên kia. Do vậy, một kẻ nghe trộm không thể chặn thông điệp.

Vấn đề hiện nay là công nghệ lượng tử trên chỉ hoạt động trong những khoảng cách hạn chế. Các nhà vật lý đang xây dựng nền móng cho cái gọi là máy lặp lượng tử. Những thiết bị này sẽ cho phép các thông điệp được truyền khắp thế giới. Ứng dụng thương mại của phép biến-hiện vẫn còn xa với. Tuy nhiên, đây thực sự là một bước tiến hướng tới teleportation đường dài trong thế giới hiện thực.

Từ lâu, phép-hiện được coi là không thể bởi nó vi phạm cái gọi là nguyên tắc không chắc chắn của cơ học lượng tử. Cơ học lượng tử cấm mọi tiến trình quét hoặc đo để lấy mọi thông tin trong một nguyên tử hoặc một vật thể khác. Theo nguyên tắc không chắc chắn của cơ học lượng tử, một vật thể càng được quét chính xác, tiến trình quét càng làm cho nó bị xáo trộn nhiều hơn cho tới khi trạng thái ban đầu của vật thể bị đổ vỡ hoàn toàn song vẫn không thu thập được đủ thông tin để tạo ra một bản sao hoàn hảo. Quan điểm này dường như là lập luận vững chắc chống lại viễn thông biến-hiện: Nếu không thể trích đủ thông tin từ một vật thể để tạo ra một bản sao hoàn hảo, dường như bản sao hoàn hảo không thể được tạo ra.

Vào năm 1993, một nhóm gồm sáu nhà khoa học quốc tế, trong đó có Fellow Charles H. Bennett của IBM, khẳng định rằng, về nguyên tắc, có thể thực hiện được phép viễn thông biến-hiện theo... trực giác của đa phần các nhà tiểu thuyết khoa học nhưng với điều kiện vật thể ban đầu bị phá huỷ. Họ đã tìm ra một cách vượt qua trở nguyên tắc không chắc chắn bằng cách sử dụng một đặc điểm nổi bật và nghịch lý của cơ học lượng tử: hiệu ứng Einstein-Podolsky-Rosen. Nói cách khác, họ tìm ra một cách quét một phần thông tin từ vật thể A mà một người muốn vận chuyển tới một nơi xa xôi, đồng thời truyền phần thông tin còn lại, chưa được quét, đi vào một vật thể khác tên là C bằng hiệu ứng Einstein-Podolsky-Rosen. C chưa bao giờ tiếp xúc với A. Bằng cách làm cho C rơi vào trạng thái giống hệt như A trước khi A bị quét thông tin, các nhà khoa học có thể quét được phần thông tin còn lại từ C và do đó thực hiện được phép viễn thông biến-hiện!

Kể từ đó tới nay, vô số thí nghiệm sử dụng photon đã chứng tỏ phép biến-hiện lượng tử có thể thực hiện. Các nhà khoa học đã chuyển các bit lượng tử dọc theo một đường cáp quang dài hơn 1,6km trong phòng thí nghiệm. Theo GS vật lý Mark Kuzyk tại ĐH Washington, ngành khoa học này không mới. Tuy nhiên, đây là lần đầu tiên các nhà nghiên cứu chỉ ra rằng nó hoạt động trong các điều kiện thực trên chính những ứng dụng của viễn thông. Bước đi tiếp theo sẽ là thực hiện phép biến-hiện bằng cách sử dụng kết nối vệ tinh.

Minh Sơn (Tổng hợp)

[Robot]

Bước đột phá trong vật lý lượng tử: chuyển thông tin tức thời



Thí nghiệm chuyển ánh sáng tức thời tại Đại học Quốc gia Australia.

Thông tin mã hóa được chuyển gần như tức thời từ nơi này đến nơi khác mà không cần đến một dòng chuyển động nào của các hạt cơ bản. Thí nghiệm đang gây chấn động thế giới, vì nó có thể mở ra một thời đại thông tin mới.

Nhà vật lý Australia gốc Trung Quốc Ping Koy Lam cùng cộng sự tại Đại học Quốc gia Australia ở Canberra (ANU) vừa thực hiện thành công thí nghiệm chuyển thông tin theo nguyên lý hoàn toàn mới dựa trên "tương tác ma quỷ" của các quang tử (photon). Đúng vào lúc một chùm laser chứa những dữ liệu thông tin nhất định bị hủy tại một vị trí trong phòng thí nghiệm, thì nhóm của Lam đã tạo ra một chùm laser khác giống hệt như thế tại một vị trí khác cách vị trí ban đầu 1 mét. Mặc dù chùm sáng không hề chuyển động từ điểm này đến điểm kia nhưng vì hai chùm sáng giống hệt nhau nên người quan sát có cảm tưởng rằng, chùm sáng đã được di chuyển tức thời từ điểm này đến điểm kia (giống như trong truyện Tây Du Ký, Tề Thiên Đại Thánh dùng phép biến hình và hiện hình để cùng một lúc biến mất khỏi trần gian và xuất hiện trên thiên đình).

Các nhà khoa học gọi kỹ thuật này là sự "chuyên chở tức thời qua không gian xa cách" (teleportation), một khái niệm xưa nay chỉ có trong truyện thần thoại hoặc khoa học viễn tưởng. Nhưng thí nghiệm của ANU lần đầu tiên đã biến thần thoại thành hiện thực. Vì hai chùm sáng giống hệt nhau, tức là thông tin chứa trong chúng như nhau, nên kết quả thí nghiệm cho thấy: Thông tin đã được chuyển tức thời qua không gian mà không cần đến một dòng chuyển động nào của các hạt cơ bản. Đây là nguyên lý truyền thông tin hoàn toàn mới.

Thật vậy, trong liên mạng computer điện tử và trong sợi cáp quang hiện nay, thông tin hoặc được chuyển qua các mạch điện tử (tức là nhờ dòng chuyển động của electron), hoặc được truyền trong sợi cáp quang (tức là dòng chuyển động của các photon). Hai dạng truyền thông tin này, mặc dù đã rất nhanh, nhưng đều không thể so sánh được với tốc độ truyền tin tức thời trong thí nghiệm của ANU. Nguyên lý truyền tin này có hai ưu điểm vượt trội: tốc độ siêu nhanh và siêu an toàn (rất khó giải mã ngay cả trong trường hợp thông tin bị đánh cắp). Vì thế, thí nghiệm của ANU đang gây nên một chấn động trong giới khoa học, như tiếng chuông báo hiệu một thời đại thông tin mới sắp ra đời.

Thực ra, không phải các nhà khoa học Australia đã khám phá ra một nguyên lý hoàn toàn mới. Họ chỉ khai thác một hiện tượng vật lý đã được biết đến từ lâu, đó là hiện tượng "vướng lượng tử", hoặc "rối lượng tử" (quantum entanglement), trong đó hai quang tử (photon) được tạo ra cùng lúc có liên hệ rất kỳ lạ với nhau. Thật vậy, nếu hai photon được tạo ra đồng thời và được đặt ở hai vị trí khác nhau, chúng sẽ không tồn tại một cách biệt lập riêng rẽ, mà ngược lại, luôn có mối ràng buộc chặt chẽ với nhau - trạng thái của photon này quyết định trạng thái của photon kia. Nếu ta buộc photon này tuân theo một trạng thái lượng tử nào đó, thì photon kia cũng lập tức có ngay một trạng thái lượng tử tương ứng. Nói cách khác, nếu biết trạng thái của photon này, thì lập tức ta sẽ biết trạng thái của photon kia. Điều đó có nghĩa là, giữa hai photon tồn tại một quan hệ tương tác nào đó. Tương tác này không phải là một trong 4 tương tác đã biết (hấp dẫn, điện từ, hạt nhân yếu, hạt nhân mạnh). Vậy nó là tương tác gì ? Đến nay, vẫn chưa ai đưa ra được một khái niệm chính xác. Albert Einstein từng gọi đó là "tương tác ma quái" (spooky interaction). Tờ Guardian của Anh số ra ngày 18/6/2002 bình luận: "Hiện tượng này còn bí hiểm hơn cả chính sự tồn tại của vũ trụ". Đa số các nhà vật lý hiện nay "đành" giải thích điều bí hiểm này như một biểu hiện của thế giới lượng tử mà nguyên lý bất định của Heisenberg đã chỉ rõ.

[Robot]

Bạn có thể hình dung ra nguyên lý bất định này trong ví dụ sau: Giả sử, nếu biết lực tác dụng vào quả bóng trong cú sút phạt của Ronaldinho trong trận Brazil - Anh vừa qua ở World Cup, thì cơ học Newton có thể giúp thủ môn Seaman tính chính xác quả bóng đó sẽ bay ra sao và sẽ rơi vào đâu. Đó là vì trong thế giới vĩ mô, quan hệ nhân - quả là chìa khóa giúp giải thích rõ ràng mọi hiện tượng. Nhưng trong thế giới của các "quả bóng vi mô" (thế giới của các hạt hạ nguyên tử) thì quan hệ nhân - quả hoàn toàn sụp đổ. Các hạt cơ bản hoàn toàn bất định. Tính chất này biểu hiện theo nhiều cách khác nhau, một trong những biểu hiện đó chính là hiện tượng "vướng lượng tử": Một hạt cơ bản có thể cùng một lúc tồn tại ở hai vị trí khác nhau mà giác quan thông thường của chúng ta coi là hai hạt khác nhau.

Những năm gần đây đang dấy lên một làn sóng vật lý đi tìm những biểu hiện bất định của các hạt cơ bản. Năm 1995, một nhóm vật lý ở Colorado đã làm lạnh vật chất xuống tới -273 độ C (gần 0 độ tuyệt đối), trong điều kiện đó các nguyên tử "ứng xử" giống hệt nhau và tạo thành một "đại nguyên tử". Năm 2001, một nhà vật lý Đan Mạch đã làm chậm ánh sáng đến mức như đứng lại, giữ được nó trong một khoảnh khắc, rồi lại "thả" nó ra để cho nó trở lại chuyển động với tốc độ ánh sáng. Nhưng kỳ quái nhất vẫn là hiện tượng "bất định vị" (nonlocality) của các hạt hạ nguyên tử, tức hiện tượng một hạt có thể xuất hiện cùng một lúc ở hai vị trí khác nhau nói trên. Một bộ óc kỳ lạ như Einstein cũng đành phải mô tả nó như là "tác động ma quỷ từ xa" (ghostly action at a distance), thay vì đưa ra một giải thích theo một công thức toán học nhân - quả.


Ping Koy Lam (trái) và một cộng sự tại ANU.
Nhưng nhờ thái độ chấp nhận "tương tác ma quỷ" như là một biểu hiện của nguyên lý bất định nên các nhà vật lý đã hướng mục tiêu nghiên cứu vào ứng dụng tương tác đó. Người đi tiên phong theo hướng này là giáo sư Athon Zeilinger (Áo). Năm 1997, lần đầu tiên ông đã nêu lên ý kiến cho rằng do tính chất đồng thời tồn tại tại nhiều vị trí khác nhau nên các hạt ánh sáng có thể được "vận chuyển tức thời" qua những khoảng cách lớn trong không gian. Ngay lập tức 40 phòng thí nghiệm trên thế giới đã bắt tay vào nghiên cứu nhằm biến ý tưởng của Zeilinger thành hiện thực. Thí nghiệm của ANU là một trong số đó, và đây là lần đầu tiên thực hiện được việc chuyển thông tin tức thời qua khoảng cách không gian 1 m, trong đó hai chùm sáng laser thực chất chỉ là một, nhưng đồng thời tồn tại ở hai vị trí khác nhau!

Tiến sĩ Lam nói: "Về lý thuyết, không có gì ngăn trở con người di chuyển tức thời trong không gian, nhưng vào thời điểm hiện nay, đó vẫn là chuyện viễn tưởng. Tuy nhiên trong tương lai không xa, việc vận chuyển tức thời một vật rắn có thể trở thành hiện thực. Tôi dự đoán trong vòng từ 3 đến 5 năm nữa khoa học sẽ có thể vận chuyển tức thời một nguyên tử".

Phạm Việt Hưng (từ Sydney)

[Robot]

Chuyển thông tin tức thời qua... sông

Trong kỹ thuật teleportation, đặc tính của photon này được chuyển sang photon khác.

Các nhà vật lý Áo đã thành công trong thí nghiệm "chuyển tức thời" các hạt ánh sáng qua khoảng cách 600 mét trên sông Danube. Đây là bước tiến vượt bậc so với công trình của người Australia 2 năm trước - chuyển một chùm tia laser qua khoảng cách 1 mét.

Các nhà khoa học gọi kỹ thuật này là sự "chuyên chở tức thời qua không gian xa cách" (teleportation), một khái niệm xưa nay chỉ có trong truyện viễn tưởng. Kỹ thuật này thực chất khai thác một hiện tượng vật lý được biết đến từ lâu, đó là hiện tượng "vướng lượng tử" hay "rối lượng tử", trong đó hai quang tử (photon) được tạo ra cùng lúc có liên hệ rất kỳ lạ với nhau. Nếu hai photon được tạo ra đồng thời và được đặt ở hai vị trí khác nhau, chúng sẽ không tồn tại một cách độc lập, mà ngược lại, luôn có mối ràng buộc chặt chẽ với nhau - trạng thái của photon này quyết định trạng thái của photon kia. Nếu ta buộc photon này tuân theo một trạng thái lượng tử nào đó, thì photon kia cũng lập tức có ngay một trạng thái lượng tử tương ứng.

Và mặc dù hai photon không chuyển động, nhưng vì chúng giống hệt nhau nên người quan sát có cảm tưởng photon đã được di dời tức khắc từ điểm này đến điểm kia: nói cách khác, thông tin đã được chuyển tức thời qua không gian mà không cần đến một dòng chuyển động nào của các hạt cơ bản.

Trong thí nghiệm, các nhà nghiên cứu từ Đại học Vienna và Viện hàn lâm khoa học Áo đã sử dụng một sợi cáp quang dài 800 mét lồng vào một hệ thống cống công cộng để nối hai phòng thí nghiệm ở hai bờ sông Danube. Thông qua kênh cáp quang này, các đặc tính hay "trạng thái lượng tử" của các hạt được truyền từ phòng gửi (Alice) tới phòng nhận (Bob).

Trạng thái lượng tử được các nhà nghiên cứu xét đến là sự phân cực, nghĩa là hướng mà photon đó dao động. Tại Alice, người ta đo trạng thái phân cực của một photon trong cặp rối lượng tử, và trạng thái phân cực của một photon "đầu vào" (photon được truyền đi theo cáp quang). Gần như ngay tức khắc ở phòng thí nghiệm Bob, trạng thái của photon đầu vào đã được chuyển cho photon còn lại trong cặp rối lượng tử.

Quá trình biến đổi này không diễn ra ngay tức khắc do nó bị giới hạn bởi tốc độ của ánh sáng. Tuy nhiên, theo các nhà nghiên cứu, ý nghĩa của thí nghiệm là ở chỗ nó diễn ra trong điều kiện "thế giới thực". Trong cống ngầm, đường cáp quang phải chịu đựng sự biến thiên nhiệt độ và các yếu tố môi trường khác có thể ảnh hưởng đến quá trình truyền photon.

Công nghệ truyền lượng tử có thể được dùng để chế tạo ra các máy tính nhanh, mạnh hơn hoặc mạng viễn thông tốt hơn. Khi đó, các trạng thái lượng tử sẽ được mã hóa dưới dạng mã nhị phân 1 và 0.

Trước nghiên cứu này, Nicolas Gisin thuộc Đại học Geneva, Thụy Sĩ, đã thành công trong việc chuyển mã lượng tử bằng kỹ thuật teleportation giữa hai phòng thí nghiệm, qua đường cáp xoắn dài 2 km. Tuy nhiên, khoảng cách thực giữa hai phòng thí nghiệm này chỉ là 55 mét.

Rupert Ursin, thành viên nhóm nghiên cứu mới, thuộc Đại học Vienna, cho biết để có được khả năng liên lạc lượng tử toàn cầu, bước tiếp theo của các nhà khoa học sẽ là cố gắng để truyền thông tin tức thời qua vệ tinh.

Thuận An (theo BBC)