Tin tứcNăm 2022, Giải Nobel Vật lý được trao cho 3 nhà khoa học Alain Aspect (Pháp), John F. Clauser (Mỹ) và Anton Zeilinger (Áo) với các nghiên cứu liên quan đến lĩnh vực lượng tử.
Ba nhà khoa học này đã thực hiện những thí nghiệm mang tính đột phá với các trạng thái vướng mắc lượng tử hay rối lượng tử - hiệu ứng trong đó trạng thái lượng tử của hai hay nhiều vật thể có liên hệ tức thời với nhau dù chúng có nằm cách nhau bao xa…
Các kết quả nghiên cứu của họ đã mở đường cho việc ứng dụng công nghệ mới cũng như lĩnh vực nghiên cứu sâu rộng như máy tính lượng tử, mạng lượng tử và truyền thông lượng tử.
Tiến sĩ Trần Nguyên Lân – Giảng viên Bộ môn Vật lý, Trường Đại học Quốc tế (ĐHQG-HCM) sẽ chia sẻ nhiều thông tin, giúp bạn đọc, đặc biệt là những người đam mê môn vật lý hiểu rõ hơn các nghiên cứu về rối lượng tử - vừa được trao Giải Nobel Vật lý 2022.
* VOH: Giải Nobel Vật lý năm 2022 tôn vinh các nghiên cứu về rối lượng tử. Tiến sĩ có thể cung cấp thêm thông tin về lĩnh vực nghiên cứu này?
- Tiến sĩ Trần Nguyên Lân: Đầu tiên, chúng ta phải hiểu cơ học lượng tử là gì. Những gì chúng ta có thể quan sát được bằng mắt thường như chiếc xe đang chạy hay quả bóng đang lăn là thuộc về cơ học cổ điển. Sâu bên trong chiếc xe và quả bóng là hằng hà vô số các thành phần vi mô như phân tử, nguyên tử và hạ nguyên tử.
Cơ học lượng tử là lý thuyết mô tả các tính chất vật lý ở cấp độ vi mô đó. Khác với cơ học cổ điển, cơ học lượng tử không tiên đoán chắc chắn những gì sẽ xảy ra mà chỉ đưa ra xác suất.
Chúng ta hãy xem xét một ví dụ ở thang vĩ mô, có hai quả bóng đen và trắng trong một hộp kín. Nếu người quan sát bốc được quả bóng màu đen thì biết chắc chắn quả còn lại là màu trắng và ngược lại. Tuy nhiên, khi xem xét ở thang vi mô - vấn đề trở nên phức tạp hơn nhiều.
Theo cơ học lượng tử, tiên đoán dựa trên xác suất, trước khi một trong hai quả bóng được nhìn thấy thì hai quả bóng trong hộp kín là có màu “pha trộn” giữa trắng và đen (màu nâu).
Khi người quan sát nhìn thấy được màu sắc của một quả bóng thì một sự kỳ quái xuất hiện đó là ngay lập tức quả bóng thứ hai sẽ hiện ra màu sắc còn lại. Erwin Schrodinger gọi hiện tượng kỳ quái này là sự rối (hoặc vướng víu) lượng tử [1]. Vì hai quả bóng không thể liên lạc với nhau một cách tức thì, liệu rằng có một quy định ngầm nào đó giữa chúng?
Vào năm 1935, Albert Einstein, Boris Podolsky và Nathan Rosen đã lập luận rằng, cơ học lượng tử là chưa hoàn chỉnh và cần phải có những biến ẩn cục bộ gắn với thuộc tính của các hạt vi mô để giải thích quy định ngầm giữa chúng.
Vào năm 1964, John Stewart Bell đã đưa ra một bất đẳng thức để kiểm chứng quy định ngầm này. Nếu bất đẳng thức Bell bị vi phạm thì không tồn tại các biến ẩn cục bộ và cơ học lượng tử có tính toàn cục.
Vào năm 1972, John Clauser và cộng sự đã thiết lập một hệ thí nghiệm với các cặp photon (hạt lượng tử của ánh sáng) có sự rối lượng tử và chỉ ra được sự vi phạm của bất đẳng thức Bell. Tuy nhiên, trong thí nghiệm của họ vẫn tồn tại một vấn đề đó là đã quy định sẵn hành vi của các photon do các kính phân cực được lắp cố định.
Vấn đề này được giải quyết bởi Alain Aspect và Anton Zeilinger với các thí nghiệm hiện đại hơn cho phép điều chỉnh kính phân cực trong thời gian ngắn mà không ảnh hưởng đến hành vi của photon. Nhờ vào việc chỉ ra sự vi phạm bất đẳng thức Bell và chứng minh được rằng cơ học lượng tử là toàn cục, ba nhà khoa học Aspect, Clauser và Zeilinger đã nhận được giải Nobel về Vật lý năm 2022 [2].
* VOH: Hoạt động nghiên cứu về rối lượng tử trên thế giới và tại Việt Nam hiện nay đang diễn ra như thế nào?
- Tiến sĩ Trần Nguyên Lân: Như tôi đã đề cập ở trên, nghiên cứu về cơ học lượng tử nói chung và công nghệ lượng tử sử dụng rối lượng tử nói riêng trên thế giới đã diễn ra từ rất sớm và hiện tại đang phát triển rất mạnh mẽ.
Các cường quốc và các tập đoàn công nghệ lớn trên thế giới đã đầu tư rất nhiều kinh phí trong cuộc chạy đua công nghệ lượng tử. Ví dụ, theo trang FedTech, Chính phủ Hoa Kỳ đã đầu tư khoảng 900 triệu USD trong năm 2022 cho các dự án liên quan đến lượng tử [3] và theo trang Quantum Computing Report, Chính phủ Trung Quốc đã đầu tư 25 tỉ USD cho công nghệ lượng tử từ giữa năm 1980 đến 2022 [4].
Ngoài ra các tập đoàn công nghệ khổng lồ như Google và IBM đã đầu tư vô số nguồn lực để phát triển công nghệ lượng tử, đặc biệt là phần cứng lượng tử.
Ở Việt Nam, nghiên cứu về rối lượng tử vẫn còn khá hiếm. Tiên phong trong lĩnh vực nghiên cứu này có PGS. Nguyễn Bá Ân - người có rất nhiều những công bố khoa học liên quan đến rối lượng tử. Ngoài ra còn có nhóm của PGS. Trương Minh Đức ở Đại học Sư phạm Huế đang thực hiện các nghiên cứu liên quan.
Theo tôi được biết, chúng ta cũng có rất nhiều những chuyên gia người Việt Nam trong lĩnh vực này mặc dù đang làm việc ở nước ngoài nhưng vẫn tích cực đóng góp vào việc đào tạo đội ngũ trẻ cho ngành thông tin lượng tử trong nước như TS. Lê Bin Hô, hiện đang là chuyên gia về thông tin lượng tử tại Đại học Tohoku, Nhật Bản.
Xem thêm: Năm 2025 lĩnh vực vật lý Việt Nam xếp nhóm 5 nước đứng đầu ASEAN
* VOH: Thưa tiến sĩ, những nghiên cứu về cơ học lượng tử được ứng dụng trong đời sống như thế nào?
- Tiến sĩ Trần Nguyên Lân: Mặc dù công nghệ lượng tử vẫn chưa thật sự được ứng dụng vào đời sống hằng ngày nhưng nó rất nhiều tiềm năng to lớn trong tương lai gần. Tôi có thể kể ra vài ứng dụng cụ thể như sau.
Các nghiên cứu về rối lượng tử giữa các hạt vi mô với khoảng cách rất xa có tiềm năng ứng dụng to lớn trong công nghệ thông tin lượng tử như viễn tải lượng tử, mã hoá thông tin lượng tử và đặc biệt là Internet lượng tử (quantum Internet) và mạng lượng tử (quantum network).
Ngoài ra còn có sensor lượng tử dựa vào rối lượng tử để đo được những tín hiệu cực kỳ nhỏ như sóng hấp dẫn, chụp ảnh lỗ đen.
Những thành tựu gần đây nhất về viễn tải lượng tử có thể kể đến là công trình của nhóm GS. Jian-Wei Pan trong việc truyền photon từ mặt đất lên vệ tinh với khoảng cách 1.400km [5]. Hay như những công trình gần đây của nhóm GS. Nobuyuki Imoto tại Đại học Osaka, Nhật Bản và GS. Hoi-Kwong Lo tại Đại học Toronto, Canada về Internet lượng tử [6] cũng đáng được chú ý.
Một ứng dụng quan trọng khác là máy tính lượng tử, hoạt động dựa trên những nguyên lý cơ bản của cơ học lượng tử ví dụ chồng chập lượng tử và rối lượng tử. Nhờ vào những đặc tính nổi trội, máy tính lượng tử được kỳ vọng giải quyết được những bài toán mà máy tính hiện tại không giải quyết được.
Cuộc đua thương mại hoá máy tính lượng tử đang diễn ra rất khốc liệt trên thế giới. Vào cuối năm 2021, các nhà khoa học thuộc Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc ở Hefei khẳng định rằng, họ đã chế tạo thành hai máy tính lượng tử nhanh nhất thế giới tên là Zhuchongzi và Jiuzhang 2.0.
Các nhà khoa học đã thử nghiệm một tính toán mà siêu máy tính hiện tại thuộc loại mạnh nhất thế giới được ước lượng phải mất 8.2 năm mới hoàn thành và thấy rằng máy tính lượng tử Zhuchongzi có thể hoàn thành tính toán này chỉ trong 1.2 tiếng. Ngoài ra, máy tính Jiuzhang 2.0 có tốc độ tính toán nhanh gấp 1024 (1 và 24 con số 0 đằng sau) lần siêu máy tính hiện tại [7].
Theo tạp chí Forbes, trong vòng năm đến mười năm tới, máy tính lượng tử được tiên đoán sẽ được đưa từ phòng thí nghiệm ra thị trường tương tự như máy tính chúng ta đang sử dụng vào những năm 70 và 80 [8].
* VOH: Với những bạn sinh viên đam mê nghiên cứu khoa học, đặc biệt là nghiên cứu lượng tử - thì nên định hướng học tập theo các ngành học nào? Tại các trường đại học nào trong nước và trên thế giới?
- Tiến sĩ Trần Nguyên Lân: Với các bạn sinh viên mong muốn theo đuổi hướng nghiên cứu lượng tử thì nên vào học các ngành vật lý lý thuyết và vật lý toán. Trên thế giới, hầu hết các trường danh tiếng hàng đầu đều có những chương trình đào tạo thông tin lượng tử rất tốt như Học viện Công nghệ Massachusetts (MIT), Đại học California ở Berkeley, Đại học Oxford hay Đại học Maryland.
Trong nước, theo tôi được biết vẫn chưa có trường đại học nào đào tạo chuyên ngành thông tin lượng tử. Tuy nhiên, các bạn sinh viên có thể học cơ bản về vật lý lượng tử tại Khoa Vật lý thuộc các trường Đại học Khoa học Tự nhiên (ĐHQG Hà Nội) và trường Đại học Khoa học Tự nhiên (ĐHQG-HCM). Sau khi có nền tảng vững chắc về cơ học lượng tử thì các bạn có thể học tiếp về thông tin lượng tử bằng cách tham gia các dự án nghiên cứu của các chuyên gia trong lĩnh vực như tôi đã đề cập ở trên.
* VOH: Xin cảm ơn Tiến sĩ.
Chú thích:
[1] Schrodinger E (1935). “Discussion of probability relations between seprated systems” Mathematical Proceedings of the Cambridge Philosophical Society 31 (4), 555-563
[2] www.nobelprize.org
[3] https://fedtechmagazine.com/article/2022/06/where-quantum-technology-going-federal-government
[4] https://quantumcomputingreport.com/how-much-money-has-china-already-invested-into-quantum-technology/
[5] https://www.nature.com/articles/nature23675/
[6] https://www.ntt-review.jp/archive/ntttechnical.php?contents=ntr201907sr3.html
[7] https://spectrum.ieee.org/quantum-computing-china
[8] https://www.forbes.com/sites/bernardmarr/2022/08/26/quantum-computing-now-and-in-the-future-explanation-applications-and-problems
