Một đội nghiên cứu quốc tế vừa thu được một kết quả lí thuyết quan trọng với việc tìm thấy rằng sự viễn tải lượng tử - quá trình truyền tải thông tin lượng tử ở tốc độ ánh sáng, cái trên lí thuyết có thể dùng để viễn tải các vật vĩ mô và, một ngày nào đó, cả con người nữa – có thể thu được theo một cách hiệu quả năng lượng hơn nhiều so với trước đây người ta nghĩ.
Cơ chế viễn tải lượng tử
Trong phần lớn thế kỉ 20, sự viễn tải bị liệt vào giấc mơ khoa học viễn tưởng thuần túy. Vấn đề nằm ở cách tiếp cận: cách duy nhất để thu được nó, theo các nhà khoa học nghĩ, là đo vị trí và xung lượng của mỗi nguyên tử của vật được truyền đi xa, gửi nó tới đích đến bằng thông tin cổ điển (phi lượng tử), và cuối cùng tái tạo nó dựa trên tập hợp những “hướng dẫn” thu được. Nhưng khoa học cho biết bước thứ nhất – đo hoàn chỉnh một hạt nguyên tử - đơn giản là chuyện không thể do nguyên lí bất định Heisenberg.
Tuy nhiên, vào năm 1993, các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng sự viễn tải thật sự là có thể trên nguyên tắc, miễn là vật ban đậy bị phá hủy trong quá trình đó. Cơ chế né tránh nguyên lí bất định Heisenberg bằng cách khai thác một trong nhiều cái kì lạ của cơ học lượng tử - một hiện tượng gọi là “sự vướng víu lượng tử”.
Sự vướng víu xảy ra khi một cặp hạt, ví dụ như electron và proton, có liên kết thực chất với nhau. Một khi thu được sự vướn víu, hai hạt sẽ luôn luôn đồng bộ, cho dù chúng ở gần nhau hay ở hay bên bờ của Vũ trụ. Miễn là trạng thái vướng víu được duy trì, nếu một hạt thay đổi trạng thái của nó, thì hạt kia sẽ lập tức thay đổi theo.
Đúng như bạn nghĩ, lí thuyết trên khó mà hiểu nổi, nhưng chúng ta hãy nói chi tiết hơn về nó.
Kế hoạch tái chế sự vướng víu chỉ mới là thành tựu lí thuyết. (Ảnh: Shutterstock)
Hãy tưởng tượng chúng ta có một vật “A” mà ta muốn truyền đi xa. Chúng ta còn có “B” và “C”, chúng bị vướng víu với nhau, nhưng không vướng víu với A. Bây giờ hãy đưa vật B đến trạm gửi ở gần kề bên A, và vật C đến trạm thu.
Trở lại năm 1993, các nhà khoa học nhận thấy rằng họ có thể quét A và B với nhau, trích một phần thông tin ra khỏi A. Sự quét đó làm trộn lẫn trạng thái lượng tử của A lẫn B, và bởi vì B và C bị vướng víu, cho nên toàn bộ thông tin giữ lại từ A lập tức được truyền đến C. Sử dụng laser, cáp quang hay bất kì phương tiện truyền thông đã biết nào, khi đó trạm gửi có thể gửi thông tin cục bộ mà nó thu thập về A đến trạm thu. Bây giờ toàn bộ thông tin về A là ở trạm thu, và vật C có thể được lắp ghép lại là một bản sao hoàn hảo của vật ban đầu. Vật A bị phá hủy trong quá trình – vì thế chúng ta có sự viễn tải, nhưng không có sự tái tạo.
Một trong những điều kiện tiên quyết cho sự viễn tải là B và C trước tiên phải tương tác chặt chẽ để tạo ra một trạng thái vướng víu, và sau đó phải có thể được đưa đến trạm cuối cùng của chúng. Điều này có nghĩa là chúng ta có thể viễn tải các vật đến những nơi chúng ta đã từng đến chứ không thể, nói ví dụ, đưa đến một thiên hà hay một hành tinh mà trước đó chúng ta chưa hề viếng thăm.
Như đã nói, hệ thống hoạt động là bởi vì B và C bị vướng víu. Nhưng có một trở ngại: theo thời gian, khi các vật được truyền đi xa, trạng thái vướng víu từ từ bị hỏng. Nó có thể được làm mới bằng cách cho B và C tương tác chặt chẽ lần nữa, nhưng điều này có nghĩa là phải vận chuyển thủ công (mà không viễn tải) cả hai vật đến cùng một nơi, sau đó đưa chúng trở lại trạm gửi và trạm thu.
Cách đây 5 năm, các nhà vật lí đã đi tới một phương pháp khác viễn tải nhanh hơn vì nó không đòi hỏi hiệu chỉnh C, nhưng nó rất không thực tiễn bởi vì trạng thái vướng víu bị phá hỏng mỗi lần thông tin được viễn tải.
Trong cả hai trạng thái, sự vướng víu có thể xem là “nhiên liệu” cung cấp cho sự viễn tải hoạt động.
Viễn tải “tiết kiệm nhiên liệu”
Nay một nhóm nhà vật lí tại Cambridge, Đại học College London và Đại học Gdansk vừa tìm ra cách “tái chế” sự vướng víu để tăng hiệu quả của kết nối này. Họ đã phát triển hai giao thức khái quát hóa hai phương pháp viễn tải lượng tử đã biết và đưa ra một giải pháp quang học trong đó trạng thái vướng víu duy trì lâu hơn nhiều khi viễn tải nhiều vật cùng lúc, đồng thời loại trừ nhu cầu hiệu chỉnh sai lạc.
Giao thức thứ nhất có thể sử dụng để viễn tải các trạng thái lượng tử tuần tự, còn giao thức thứ hai cho phép viễn tải vài trạng thái cùng một lúc, làm tăng tốc quá trình và đặc biệt hấp dẫn đối với các ứng dụng điện toán lượng tử.
Kết quả thu được bởi những nhà nghiên cứu trên là thuần túy lí thuyết và không có liên hệ với bất kì thông tin lượng tử nào thật sự đang được viễn tải từ nơi này sang nơi khác. Nhưng niềm hứng khởi về viễn tải lượng tử đang nhanh chóng lan rộng, và các phòng thí nghiệm trên khắp thế giới đang chạy đua chứng minh khả năng viễn tải thông tin ở những cự li càng ngày càng xa hơn – hồi năm ngoái chẳng hạn, các nhà khoa học đã báo cáo cho viễn tải các photon đi xa kỉ lục 143 km – cho nên có lẽ không phải chờ đợi lâu cho đến khi kết quả lí thuyết này thật sự trở thành kết quả thực nghiệm.
Nhưng khoan đã – chẳng phải chúng ta đã nói khoảng cách không là vấn đề gì khi hai hạt bị vướng víu hay sao? Đúng là hai hạt vẫn vướng víu bất chấp khả năng của chúng, nhưng chúng ta chỉ có thể lưu trữ trạng thái vướng víu đó trong một khoảng thời gian rất ngắn. Điều này có nghĩa là, trên thực tế, các nhà khoa học phải tạo ra một trạng thái vướng víu giữa các hạt B và C và sau đó đưa chúng đến trạm gửi và trạm thu càng nhanh càng tốt, trước khi trạng thái vướng víu bị hỏng. Trong quá trình truyền đó, sự tổn thất photon và sự mất kết hợp tín hiệu cũng tăng theo khoảng cách, làm cho mọi thứ trở nên tệ đi – mặc dù các nhà khoa học đang tích cực giải quyết vấn đề đó.
Mặc dù có nhiều tiến bộ trong thời gian gần đây, nhưng sự viễn tải con người vẫn thuộc về tương lai xa. (Ảnh: Shutterstock)
Gửi tớ đi nào Scotty
Vậy thì sự viễn tải con người sẽ có khả thi hay không? Tháng 11 năm ngoái, một nhóm nhà khoa học người Trung Quốc đã thu được sự viễn tải từ vật vĩ mô này đến vật khác – một tập hợp gồm 100 triệu nguyên tử rubdium – với độ chính xác gần 90%. Cơ thể con người, mặt khác, gồm khoảng 1029 hạt vật chất, toàn bộ trong số đó phải được viễn tải độ chính xác cực cao.
Còn có những trở ngại khác nữa. Như đã nói, vật thể (hay trong trường hợp này là con người) đang viễn tải sẽ bị phá hỏng tại trạm gửi và lắp ráp lại ở trạm thu. Đây sẽ là cái đau đớn đối với người du hành; tuy nhiên, bản sao sống sót được lập trước khi bản gốc bị hủy, và vì thế, từ góc nhìn của nhà du hành của chúng ta – giả sử ý thức của nhà du hành được truyền đi cùng với anh ta – người ta có thể cho rằng chẳng có sự cảm nhận đau đớn nào cả.
Hơn nữa, một nhà du hành con người không phải là một hệ tĩnh, và vì thế quá trình quét và tái tạo anh ta hoặc cô ta phải gần như tức thời – nếu không chúng ta sẽ nhận được một bản sao viễn tải của nhà du hành khác hẳn với bản gốc.
Còn một khó khăn nữa. Thoạt nhìn, có vẻ như sự vướng víu lượng tử có thể duy trì ưu thế du hành ở tốc độ siêu sáng: khi hai hạt bị vướng víu, bất chấp khoảng cách của chúng, khi chúng ta làm biến đổi một hạt, chúng ta cũng tức thời làm biến đổi hạt kia. Thật đáng tiếc, mọi cách hiểu hiện đại của cơ học lượng tử đều thống nhất rằng thủ thuật này không thể dùng để du hành nhanh hơn ánh sáng.
Không ai dám mớ tới việc thu được sự viễn tải con người trong tương lai trước mắt: nó là một bài toán kĩ thuật cực kì khó nuốt, và mặc dù quá trình sẽ không vi phạm bất kì định luật vật lí nào đã biết, nhưng chúng ta thiếu công nghệ để đạt tới nó – hay bất cứ cái gì gần gần như nó. Hiểu theo một nghĩa nào đó, thành tựu nghiên cứu này có thể xem là một bước nhỏ hướng đến sự viễn tải con người, nhưng trước mắt bạn đừng vội mơ ngay đến sự viễn tải kiểu như trong phim Star Trek.
Nghiên cứu đăng trên tạp chí Physical Review Letters. Có thể đọc bản thảo tại http://arxiv.org/abs/1209.2683
Nguồn: University of Cambridge, Carlos Mochon, IBM
