Nobel Vật lý 2022

Alain Aspect, John Clauser và Anton Zeilinger, ba nhà vật lý lượng tử giành giải Nobel Vật lý 2022 cho những thí nghiệm về các hạt photon rối, trong đó các hạt mang ánh sáng trở nên gắn kết với nhau theo cách vô cùng chặt chẽ. Những thí nghiệm như vậy đã đặt nền tảng cho vô số công nghệ lượng tử, trong đó có máy tính lượng tử và truyền thông lượng tử. Họ chia sẻ giải thưởng trị giá 10 triệu kronor (tương đương 915.000 USD).

“Thành thật mà nói tôi vô cùng ngạc nhiên khi nhận được điện thoại”, Zeilinger, nhà vật lý ở trường Đại học Vienna, nói tại cuộc họp báo thông báo giải thưởng. “Tôi không thể được trao giải thưởng này nếu công việc nghiên cứu của tôi không có sự đóng góp của hơn 100 các nhà khoa học trẻ trong nhiều năm qua”.

Aspect, một nhà vật lý ở trường Đại học Paris-Saclay, nhận được điện thoại của Ủy ban giải thưởng trong khi đang tham gia một cuộc họp. “Tôi đang ngồi ở gần Aspect vào buổi sáng khi ông nhận được cuộc gọi”, Serge Haroche, một nhà vật lý thực nghiệm tại Collège de France ở Paris, người từng chia sẻ giải Nobel Vật lý năm 2012 cho công trình nghiên cứu về vật lý lượng tử, cho biết thêm là khi Aspect rời phòng, các đồng nghiệp đều đoán một cách chính xác là cuộc gọi này từ Stockholm.

Các thí nghiệm của bộ ba nhà vật lý chứng tỏ là những kết nối giữa các hạt lượng tử không phụ thuộc “các biến ẩn” cục bộ, những nhân tố còn chưa rõ có thể liên kết một cách vô hình hai kết quả lại với nhau. Thay vào đó, hiện tượng này xuất phát từ một liên kết xác thực trong đó việc điều khiển một vật thể lượng tử có thể ảnh hưởng đến một vật thể lượng tử khác, dẫu ở khoảng cách xa. Nhà vật lý người Đức Albert Einstein từng có câu nói nổi tiếng về hiện tượng này “hành động ma quỷ ở khoảng cách xa” – điều mà bây giờ chúng ta gọi là rối lượng tử.

Cả ba nhà khoa học này đều là những người tiên phong trong lĩnh vực thông tin lượng tử và truyền thông lượng tử, Pan Jianwei, một nhà vật lý ở trường đại học KH&CN Trung Quốc ở Hợp Phì, người từng tham gia một số thực nghiệm quan trọng của Zeilinger khi còn là nghiên cứu sinh trong những năm 1990. Ghi nhận công lao đóng góp này của ông vẫn quá chậm chạp, Pan nói. “Chúng tôi đã chờ điều này từ rất, rất lâu rồi”.

Chiến thắng là một “thông tin đẹp”, Chiara Marletto, một nhà vật lý lý thuyết ở Đại học Oxford, đồng ý. Các phiên bản hiện đại của thực nghiệm do ba nhà vật lý tiên phong thực hiện có thể là trung tâm của một trong những câu hỏi mở lớn bậc nhất của vật lý ngày nay, cô nói – cơ học lượng tử tương thích như thế nào với thuyết tương đối rộng của Albert Einstein?

Do các hiệu ứng rối lượng tử, nên việc đo đạc tính năng của một hạt trong một cặp rối ngay lập tức ảnh hưởng đến kết quả đo đạc của hạt khác. Đó là những gì tăng cường các máy tính lượng tử về chức năng – các cỗ máy đó, vốn tìm kiếm cách khai thác năng lực của các hạt lượng tử tồn tại ở nhiều trạng thái trong cùng một thời điểm, đem lại các tính toán có thể không thực hiện được trên máy tính thông thường. Ngày nay, các nhà vật lý sử dụng rối lượng tử để phát triển mã hóa lượng tử và internet lượng tử có thể cho phép truyền thông siêu bảo mật cũng như các dạng mới của cảm biến và viễn vọng lượng tử.

Nhưng liệu các hạt đó có thể liên kết với nhau một cách cơ bản theo cách này - như đo đạc một hạt để xác định các tính năng của hạt khác, hay là chỉ tiết lộ một trạng thái đã được xác định trước? Đây là một chủ đề gây tranh cãi kể từ khi các nhà vật lý đặt nền tảng cho cơ học lượng tử vào những năm 1920.

Vào những năm 1960, nhà vật lý John Bell đã đề xuất một nhóm các kiểm tra toán học, vẫn được gọi là các bất đẳng thức Bell, để phân biệt hai ý tưởng đó. Các kiểm tra này cho biết các kết quả thực nghiệm xuất hiện sự tương quan vượt quá giá trị riêng có thể chỉ trở nên có thể qua rối lượng tử, và không phụ thuộc vào các dạng nhất định của các biến ẩn. Cơ học lượng tử dự đoán một bậc cao hơn của tương quan hơn những gì có thể trong vật lý cổ điển, hoặc vật lý trước lượng tử.

Vào năm 1972, John Clauser – hiện tại là một nhà vật lý ở J.F. Clauser & Associates ở Walnut Creek, California – và đồng nghiệp đã phát triển các ý tưởng thành một thí nghiệm xâm phạm bất đẳng thức Bell, qua đó ủng hộ các lý thuyết cơ học lượng tử.

Clauser đã chạm đến công trình của John Bell một cách tình cờ khi mượn sách trong thư viện tại Đại học California ở Berkeley, nơi ông làm postdoct, theo David Kaiser, một nhà vật lý lượng tử và lịch sử khoa học tại MIT ở Cambridge. Clauser đã bị cuốn hút và ông viết thư gửi Bell để hỏi ông là liệu có ai đó cố gắng kiểm tra bất đẳng thức của ông bằng thực nghiệm không. Bell trả lời là chưa – và khuyến khích ông làm điều đó. Tuy nhiên, phản ứng từ cộng đồng lại không hề dễ chịu. “Người ta nói, đó không phải là vật lý thực sự - đó là chủ đề không đáng giá chút nào”, Kaiser kể.

Bất chấp thành công của Clauser, lỗ thông khí thực nghiệm vẫn còn để lại chỗ cho các biến ẩn để tạo ra một ảo giác rối lượng tử, vốn sau đó vào những năm 1980, Aspect đã gần đạt được. Ông đã tạo ra sự thay đổi trong việc thiết lập các thí nghiệm, nghĩa là các quyết định trong thực nghiệm không thể được coi là các kết quả xác định trước nữa.

Và trong năm 1997, Anton Zeilinger, một nhà vật lý ở Đại học Vienna, và cộng sự của mình đã sử dụng hiệu ứng rối để chứng minh khả năng viễn tải lượng tử, trong đó một trạng thái lượng tử được truyền tải từ một vị trí tới một vị trí khác. Các hệ lượng tử không thể dò được và không tái lập được ở bất cứ nơi nào vì phép đo phá hủy các đặc tính lượng tử tinh tế của chúng. Nhưng một trạng thái có thể được truyền giữa hai hạt ở một khoảng cách xa, nếu hạt này rối với hạt kia trong một nửa trạng thái của cặp rối trước.

Viễn tải cho phép các truyền thông siêu bảo mật, bởi vì bất kỳ việc nghe lén nào cũng có thể là nguyên nhân khiến các hạt mất đi trạng thái lượng tử tinh tế của mình. Đó cũng là một cách để các máy tính lượng tử tương lai có thể truyền thông tin. Kể từ những thực nghiệm ban đầu của Zeilinger, các nhà vật lý đã thành công trong việc viễn tải các electron cũng như các nguyên tử và các mạch siêu dẫn.

Trong nhiều thực nghiệm gần đây, Zeilinger, cùng với Kaiser và những cộng sự khác, chứng tỏ các khe trong kiểm tra bất đẳng thức Bell bằng việc sử dụng các đặc tính của ánh sáng sao tán xạ hàng thế kỷ trước để xác định các thiết lập thực nghiệm.

Dẫu vật lý lượng tử hiện là nền tảng cho nhiều ngành công nghiệp, các dạng thực nghiệm có thể tiếp tục đem đến những cái nhìn mới vào vật lý cơ bản. Marletto nói, một trong số đó là chứng tỏ là liệu hai hạt có thể trở nên rối thông qua tương tác hấp dẫn hay không. Thuyết tương đối rộng không phù hợp với cơ học lượng tử và nhiều thực nghiệm có thể đem lại những gợi ý về cách phát triển một lý thuyết hấp dẫn lượng tử để thay thế nó. “Hấp dẫn là con voi trong phòng khách”, Marletto nói ngụ ý đến việc nó trở thành vấn đề gây tranh cãi, hiển nhiên ai cũng biết nhưng không ai muốn đề cập vì nó quá khó.

Kaiser ghi nhận là ba nhà khoa học đoạt giải Nobel đều rất kiên nhẫn và khéo léo trong việc chứng minh hiện tượng “kỳ quái” và để đặt câu hỏi “Có thể thực sự làm được điều như vậy trên thế giới thực?”

“Tại thời điểm đó, nó chỉ là nghiên cứu rất mông lung, phục vụ trí tò mò là chính mà không có gợi ý gì về ứng dụng cả”, Haroche nói. “Đó là một ví dụ tuyệt vời của kết nối giữa khoa học cơ bản và ứng dụng”, ông nói. “Một minh chứng về tính hữu dụng của hiểu biết khoa học vẫn bị coi là vô dụng”.

Nguồn: nature.com