Rối lượng tử
Rối lượng tử là một trong những hiện tượng kỳ lạ bên trong lĩnh vực lượng tử. khi hai hoặc nhiều hạt liên kết với nhau theo một cách nhất định, bất kể chúng ở xa nhau như thế nào trong không gian, trạng thái của chúng vẫn liên kết với nhau. điều đó có nghĩa là chúng chia sẻ một trạng thái lượng tử chung, thống nhất. vì vậy, chỉ cần quan sát một trong các hạt có thể biết thông tin về các hạt vướng víu khác, bất kể khoảng cách giữa chúng là bao nhiêu. và bất kỳ hành động nào đối với một trong những hạt này sẽ luôn tác động đến những hạt khác khi mắc phải rối lượng tử
Ai là người phát hiện ra rối lượng tử
các nhà vật lý đã phát triển những ý tưởng cơ bản đằng sau hiện tượng này khi họ nghiên cứu cơ học của thế giới lượng tử vào những thập kỷ đầu của thế kỷ 20. họ phát hiện ra rằng để mô tả đúng các hệ thống hạ nguyên tử, họ phải sử dụng một thứ gọi là trạng thái lượng tử.
trong thế giới lượng tử, không có gì được biết đến là chắc chắn; ví dụ, bạn không bao giờ biết chính xác vị trí của một electron trong nguyên tử mà chỉ biết nó có thể ở đâu. trạng thái lượng tử tóm tắt xác suất đo một tính chất nhất định của một hạt, như vị trí hoặc mômen động lượng của nó. vì vậy, ví dụ, trạng thái lượng tử của một electron mô tả tất cả những nơi bạn có thể tìm thấy nó, cùng với xác suất tìm thấy electron ở những nơi đó.
một đặc điểm khác của các trạng thái lượng tử là chúng có thể tương quan với các trạng thái lượng tử khác, nghĩa là các phép đo của một trạng thái này có thể ảnh hưởng đến trạng thái kia. trong một bài báo năm 1935, albert einstein, boris podolsky và nathan rosen đã xem xét các trạng thái lượng tử tương quan mạnh mẽ sẽ tương tác với nhau như thế nào. họ phát hiện ra rằng khi hai hạt tương quan chặt chẽ với nhau, chúng sẽ mất các trạng thái lượng tử riêng lẻ và thay vào đó chia sẻ một trạng thái duy nhất, thống nhất. một cách khác để nghĩ về nó là một “thùng chứa” toán học duy nhất có thể mô tả đồng thời tất cả các hạt, bất kể thuộc tính riêng lẻ của chúng. trạng thái thống nhất này được gọi là rối lượng tử
họ phát hiện ra rằng nếu hai hạt vướng vào nhau, nghĩa là trạng thái lượng tử của chúng có tương quan chặt chẽ và trở nên thống nhất, thì các phép đo của một trong các hạt sẽ tự động ảnh hưởng đến hạt kia, bất kể các hạt ở xa nhau bao nhiêu, theo bách khoa toàn thư stanford triết học .
nhà vật lý đầu tiên sử dụng từ “vướng víu” là erwin schrödinger, một trong những người sáng lập ra cơ học lượng tử . ông mô tả sự vướng víu là khía cạnh thiết yếu nhất của cơ học lượng tử, nói rằng sự tồn tại của nó là một sự khác biệt hoàn toàn với các dòng tư tưởng cổ điển.
Nghịch lý EPR là gì?
như einstein, podolsky và rosen đã phát hiện ra, sự vướng víu xuất hiện tức thời: một khi bạn biết thông tin về một hạt lượng tử, bạn sẽ tự động biết trạng thái lượng tử của bất kỳ hạt vướng rối lượng tử khác. về nguyên tắc, bạn có thể đặt hai hạt mắc rối lượng tử ở hai đầu đối diện của thiên hà mà vẫn có thể tức thời biết thông tin của chúng, điều này dường như vi phạm giới hạn tốc độ ánh sáng.
theo hiệp hội vật lý hoa kỳ, kết quả này được gọi là nghịch lý epr (viết tắt của einstein, podolsky và rosen) – một hiệu ứng mà einstein mệnh danh là “hành động ma quái ở khoảng cách xa”. ông đã sử dụng nghịch lý làm bằng chứng cho thấy lý thuyết lượng tử chưa hoàn thiện. nhưng các thí nghiệm đã nhiều lần xác nhận rằng các hạt vướng víu ảnh hưởng lẫn nhau bất kể khoảng cách, và cơ học lượng tử vẫn được xác minh cho đến ngày nay.
không có cách giải quyết được chấp nhận chung cho nghịch lý. tuy nhiên, mặc dù các hệ thống vướng víu không duy trì tính cục bộ (nghĩa là một phần của hệ thống vướng víu có thể ảnh hưởng ngay lập tức đến một hạt ở xa), nhưng chúng tôn trọng quan hệ nhân quả, nghĩa là các tác động luôn có nguyên nhân. một người quan sát ở hạt ở xa không biết liệu người quan sát cục bộ có làm xáo trộn hệ thống vướng víu hay không, và ngược lại. họ phải trao đổi thông tin với nhau không nhanh hơn tốc độ ánh sáng để xác nhận.
nói cách khác, các giới hạn do tốc độ ánh sáng áp đặt vẫn còn tồn tại với các hệ thống vướng víu. mặc dù bạn có thể biết trạng thái của một hạt ở xa, nhưng bạn không thể truyền đạt thông tin này nhanh hơn tốc độ ánh sáng.
Làm thế nào để tạo ra rối lượng tử
có nhiều cách để làm vướng các hạt. một phương pháp là làm lạnh các hạt và đặt chúng đủ gần nhau để các trạng thái lượng tử của chúng (thể hiện độ không chắc chắn ở vị trí) chồng lên nhau, khiến không thể phân biệt được hạt này với hạt kia.
một cách khác là dựa vào một số quá trình hạ nguyên tử, như phân rã hạt nhân, tự động tạo ra các hạt vướng víu. theo nasa , cũng có thể tạo ra các cặp photon hay các hạt ánh sáng vướng víu bằng cách tách một photon duy nhất và tạo ra một cặp photon trong quá trình này hoặc bằng cách trộn các cặp photon trong một sợi cáp quang.
Rối lượng tử được sử dụng để làm gì?
có lẽ ứng dụng được sử dụng rộng rãi nhất của rối lượng tử là trong mật mã. theo tạp chí caltech , trong kịch bản này, người gửi và người nhận xây dựng một liên kết truyền thông an toàn bao gồm các cặp hạt vướng víu. người gửi và người nhận sử dụng các phần tử vướng víu để tạo ra các khóa riêng tư, chỉ họ mới biết, mà họ có thể sử dụng để mã hóa thông điệp của mình. nếu ai đó chặn tín hiệu và cố gắng đọc các khóa riêng, sự vướng víu sẽ phá vỡ, vì việc đo một hạt vướng víu sẽ thay đổi trạng thái của nó. điều đó có nghĩa là người gửi và người nhận sẽ biết rằng liên lạc của họ đã bị xâm phạm.
một ứng dụng khác của sự vướng víu là tính toán lượng tử, trong đó một số lượng lớn các hạt bị vướng vào nhau, do đó cho phép chúng phối hợp hoạt động để giải quyết một số vấn đề lớn, phức tạp. ví dụ, một máy tính lượng tử chỉ với 10 qubit (bit lượng tử) có thể thể hiện cùng một lượng bộ nhớ với 2 ^ 10 bit truyền thống.
Dịch chuyển vướng víu lượng tử là gì?
trái ngược với cách sử dụng thông thường của từ “dịch chuyển tức thời”, dịch chuyển lượng tử không liên quan đến sự chuyển động hoặc dịch chuyển của chính các hạt. thay vào đó, trong dịch chuyển lượng tử, thông tin về một trạng thái lượng tử được vận chuyển với khoảng cách rất xa và sao chép ở một nơi khác, theo nature news .
tốt nhất hãy nghĩ về dịch chuyển lượng tử là phiên bản lượng tử của giao tiếp truyền thống.
đầu tiên, người gửi chuẩn bị một hạt để chứa thông tin (tức là trạng thái lượng tử) mà họ muốn truyền. sau đó, chúng kết hợp trạng thái lượng tử này với một trong một cặp hạt vướng víu. điều này gây ra sự thay đổi tương ứng trong cặp vướng víu khác, có thể ngồi cách xa một khoảng tùy ý.
người nhận sau đó ghi lại sự thay đổi trong đối tác vướng víu của cặp. cuối cùng, người gửi phải truyền, qua các kênh bình thường (tức là bị giới hạn bởi tốc độ ánh sáng), sự thay đổi ban đầu được thực hiện đối với cặp vướng víu. điều này cho phép máy thu tái tạo lại trạng thái lượng tử ở vị trí mới.
điều này có vẻ như rất nhiều công việc để truyền tải một phần thông tin nhỏ, nhưng dịch chuyển lượng tử cho phép giao tiếp hoàn toàn an toàn. nếu kẻ nghe trộm chặn tín hiệu, chúng sẽ phá vỡ sự vướng víu, điều này sẽ được tiết lộ khi người nhận so sánh tín hiệu truyền thống với những thay đổi được thực hiện trong cặp vướng víu.