Bất đẳng thức Bell là một giới hạn mà mọi lý thuyết theo kiểu hiện thực cục bộ phải tuân theo, tức kiểu lý thuyết trong đó các vật có tính chất xác định từ trước và không gì ảnh hưởng tức thời từ xa. Cơ học lượng tử dự đoán vi phạm giới hạn ấy. Các thí nghiệm từ thập niên bảy mươi tới nay cho thấy tự nhiên đúng là vi phạm nó.
Chào bạn, đây là Nhà Học Thuật. Câu hỏi khởi đầu từ một cuộc tranh luận triết học giữa Einstein và Bohr, tưởng chừng không bao giờ phân xử được bằng thực nghiệm. Một nhà vật lý người Bắc Ireland đã biến nó thành một phép thử. Tập này mình kể câu chuyện ấy.
Nghịch lý của Einstein, Podolsky và Rosen
Năm một nghìn chín trăm ba mươi lăm, Einstein cùng Boris Podolsky và Nathan Rosen công bố một bài báo nổi tiếng. Họ xét hai hạt từng tương tác rồi bay xa nhau. Theo cơ học lượng tử, đo một hạt sẽ cho biết ngay kết quả đo hạt kia, dù hai hạt cách nhau bao xa.
Họ lập luận rằng nếu không có ảnh hưởng tức thời từ xa, thì hạt kia phải mang sẵn tính chất ấy từ trước. Mà cơ học lượng tử không mô tả tính chất có sẵn đó, vậy nó chưa hoàn chỉnh. Phải có những biến ẩn mà lý thuyết bỏ sót.
Einstein về sau gọi khả năng ngược lại, ảnh hưởng tức thời từ xa, là tác động ma quái từ xa, và không chấp nhận nó.
Bohr phản bác, nhưng trong gần ba mươi năm, đa số coi đây là tranh luận về cách diễn giải, không có hệ quả thí nghiệm nào. Hai phía dự đoán cùng một kết quả cho mọi phép đo đã biết.
Đôi tất của Bertlmann
Năm một nghìn chín trăm sáu mươi tư, John Bell, nhà vật lý người Bắc Ireland làm việc ở trung tâm nghiên cứu hạt nhân châu Âu, chứng minh điều mà nhiều người nghĩ là không thể: hai quan điểm thật ra dự đoán khác nhau, nếu ta đo những tổ hợp thông minh.
Bell có một bài viết nổi tiếng về đôi tất của người bạn đồng nghiệp tên Bertlmann, người luôn đi hai chiếc tất khác màu. Thấy một chiếc màu hồng, bạn biết ngay chiếc kia không phải màu hồng. Chẳng có gì ma quái: màu đã được chọn từ sáng. Đó là kiểu tương quan mà hiện thực cục bộ cho phép, giống như găng tay trái và phải để trong hai hộp riêng.
Bell chứng minh rằng mọi tương quan kiểu tất của Bertlmann, khi đo theo nhiều hướng khác nhau, phải thoả một bất đẳng thức, một giới hạn về mức độ đồng bộ. Còn cơ học lượng tử dự đoán rằng với những cặp hạt rối lượng tử, mức độ đồng bộ vượt quá giới hạn ấy.
Lần đầu tiên, câu hỏi triết học của Einstein và Bohr có thể được đưa vào phòng thí nghiệm.
Từ Clauser tới Aspect
Đầu thập niên bảy mươi, John Clauser và Stuart Freedman ở California thực hiện thí nghiệm đầu tiên với các cặp photon rối. Kết quả vi phạm bất đẳng thức Bell, đúng như cơ học lượng tử dự đoán.
Nhưng thí nghiệm có những kẽ hở. Kẽ hở quan trọng nhất là các thiết bị đo được đặt cố định từ trước, nên về nguyên tắc, các hạt có thể đã biết trước sẽ bị đo theo hướng nào.
Đầu thập niên tám mươi, Alain Aspect và cộng sự ở Pháp thay đổi hướng đo trong lúc photon đang bay, nhanh đến mức không tín hiệu nào kịp truyền giữa hai đầu. Kết quả vẫn vi phạm bất đẳng thức.
Những thí nghiệm sau đó dần bịt các kẽ hở còn lại. Năm hai nghìn không trăm mười lăm, vài nhóm ở Hà Lan, Áo và Mỹ công bố những thí nghiệm bịt đồng thời các kẽ hở chính. Hiện thực cục bộ, theo nghĩa của Bell, đã bị bác bỏ.
Zeilinger và công nghệ lượng tử
Anton Zeilinger ở Áo đi theo một hướng khác: biến rối lượng tử thành công cụ. Cuối thập niên chín mươi, nhóm của ông thực hiện dịch chuyển lượng tử, truyền trạng thái lượng tử của một hạt sang hạt khác ở xa nhờ rối lượng tử, kết hợp với một tín hiệu thông thường.
Cần nói rõ: rối lượng tử không cho phép truyền tin nhanh hơn ánh sáng. Kết quả đo ở mỗi đầu riêng lẻ là ngẫu nhiên, chỉ khi so sánh hai đầu bằng kênh thông thường mới thấy tương quan.
Nhóm của Zeilinger còn thực hiện hoán đổi rối, làm cho hai hạt chưa từng gặp nhau trở nên rối với nhau. Những kỹ thuật này là nền móng cho mật mã lượng tử, mạng lượng tử và một phần của máy tính lượng tử.
Năm hai nghìn không trăm hai mươi hai, Alain Aspect, John Clauser và Anton Zeilinger nhận giải Nobel vật lý. John Bell đã qua đời năm một nghìn chín trăm chín mươi, và nhiều người tin rằng nếu còn sống, ông đã cùng nhận giải.
Thế giới thật sự kỳ lạ đến mức nào?
Vi phạm bất đẳng thức Bell buộc ta từ bỏ ít nhất một trong những giả định trực giác: hoặc các vật không có tính chất xác định trước khi đo, hoặc có những mối liên hệ phi định xứ giữa các vật ở xa, hoặc một giả định tinh vi hơn nào đó như việc lựa chọn của người đo không thật sự tự do.
Những cách diễn giải khác nhau của cơ học lượng tử chọn từ bỏ những giả định khác nhau. Thuyết sóng dẫn đường chấp nhận phi định xứ. Thuyết nhiều thế giới cho rằng mỗi phép đo có mọi kết quả. Chưa có đồng thuận.
Điều đã chắc là bức tranh mà Einstein mong muốn, một thế giới gồm những vật có tính chất riêng, chỉ tương tác với láng giềng gần, không đứng vững được trước thí nghiệm.
Có lẽ đây là một trong những trường hợp hiếm hoi trong lịch sử khi một câu hỏi triết học về bản chất thực tại được trả lời bằng phòng thí nghiệm. Và câu trả lời lạ hơn bất kỳ ai, kể cả Einstein, sẵn lòng chấp nhận.
Câu hỏi thường gặp
Rối lượng tử là gì?
Đó là trạng thái trong đó hai hay nhiều hạt được mô tả chung bởi một trạng thái duy nhất, nên kết quả đo trên chúng tương quan với nhau mạnh hơn mọi tương quan cổ điển cho phép, dù chúng ở xa nhau.
Rối lượng tử có cho phép truyền tin nhanh hơn ánh sáng không?
Không. Kết quả đo ở mỗi bên là ngẫu nhiên, không thể điều khiển để mã hoá thông điệp. Tương quan chỉ hiện ra khi hai bên so sánh kết quả qua một kênh thông thường.
Kẽ hở trong thí nghiệm Bell là gì?
Kẽ hở là những điều kiện thí nghiệm chưa hoàn hảo cho phép một lý thuyết hiện thực cục bộ giải thích kết quả, như máy dò bỏ sót nhiều hạt hoặc hai đầu đo đủ gần để trao đổi tín hiệu. Các thí nghiệm hiện đại đã bịt các kẽ hở chính.
Einstein có sai hoàn toàn không?
Không. Bài báo năm một nghìn chín trăm ba mươi lăm của ông chỉ ra chính xác điểm kỳ lạ nhất của cơ học lượng tử, và mở ra cả một lĩnh vực. Điều sai là kỳ vọng rằng thế giới sẽ tuân theo hiện thực cục bộ.
Mật mã lượng tử dựa vào rối lượng tử thế nào?
Một số giao thức dùng các cặp hạt rối để hai bên tạo ra khoá mã chung. Bất kỳ ai nghe trộm đều làm xáo trộn tương quan, và hai bên phát hiện được bằng cách kiểm tra bất đẳng thức Bell.
