Vật lý lượng tử thực sự rất khó hiểu, nhưng các nhà khoa học cuối cùng cũng bắt đầu hiểu được nó. Giống như việc vũ trụ rất rộng lớn ngoài sức tưởng tượng, vật lý lượng tử cũng khiến người ta bối rối.

Những bộ óc xuất sắc nhất của khoa học đã dày công nghiên cứu lĩnh vực này suốt hơn một thế kỷ, cặm cụi mày mò. Tuy nhiên, sự rối rắm đang dần nhường chỗ cho sự hiểu biết, và chúng ta đang bắt đầu nắm bắt được không chỉ ý nghĩa của vật lý lượng tử, mà còn cả các ứng dụng thực tiễn của nó.

Dưới đây là một vài đề xuất có thể được xem như bản nháp ban đầu cho cẩm nang du hành thế giới lượng tử. Chỉ cần nhớ: đừng hoảng loạn!

Internet lượng tử và mã hóa dữ liệu rối quấn

Vào thập niên 1980, các nhà nghiên cứu chỉ ra một điều thú vị: các định luật của vật lý lượng tử cho phép mã hóa thông tin vào các vật thể lượng tử – chẳng hạn như photon, là “hạt lượng tử” của ánh sáng – và truyền chúng từ người này sang người khác một cách hoàn toàn an toàn.

Bằng cách liên kết các hạt được truyền đi qua một hiện tượng gọi là rối lượng tử (quantum entanglement), sẽ không thể có kẻ nghe lén nào chặn và đọc được tin nhắn mà người nhận không phát hiện ra việc bị can thiệp.

Kỹ thuật mật mã lượng tử này sau đó đã được chứng minh qua việc truyền tín hiệu ánh sáng qua không khí và cáp quang. Năm 2007, kỹ thuật này được sử dụng để truyền kết quả bầu cử an toàn ở Thụy Sĩ.

Gần đây, Trung Quốc đã truyền dữ liệu mã hóa lượng tử từ vệ tinh viễn thông chuyên biệt đến Áo. Hiện tại, đã có các kế hoạch xây dựng một “internet lượng tử”, trong đó mọi thông điệp sẽ được truyền qua cáp quang hoặc vệ tinh bằng cách mã hóa an toàn.

Năm 2024, các nhà nghiên cứu Trung Quốc đã truyền thành công dữ liệu được mã hóa lượng tử qua cáp quang giữa hai điểm cách nhau hơn 12 km trong khu vực đô thị – bước đi đầu tiên hướng tới một mạng lưới thông tin lượng tử quốc gia.

Máy tính lượng tử: Từ khoa học viễn tưởng đến thực tế

Máy tính lượng tử từng là món quà tuyệt vời cho các nhà văn khoa học viễn tưởng – một cỗ máy có thể làm mọi thứ, thậm chí tạo ra các thực tại thay thế. Trên thực tế, máy tính lượng tử không có sức mạnh “thần kỳ” như vậy.

Tuy nhiên, các nguyên mẫu hiện nay đã đạt được một số thành tựu ấn tượng – như thực hiện các phép tính mà máy tính cổ điển sẽ mất thời gian lâu hơn cả tuổi của vũ trụ để hoàn thành. Nhưng những điều này vẫn chỉ là các “màn biểu diễn”.

Máy tính lượng tử vẫn chưa thể giải quyết các bài toán thực sự khó, như dự đoán thuốc mới, vật liệu mới, hay mô phỏng thời tiết.

Vấn đề nằm ở những rào cản kỹ thuật to lớn.

Máy tính cổ điển mã hóa dữ liệu dưới dạng nhị phân (1 và 0), còn máy tính lượng tử dùng “qubit” – có thể ở trạng thái kết hợp của cả 1 và 0 cùng lúc.

Để thực hiện tính toán, các qubit phải rối quấn (entangled) với nhau, nghĩa là chúng phụ thuộc lẫn nhau. Giữ cho hàng trăm hoặc hàng nghìn qubit ở trạng thái rối này là vô cùng khó, và thường cần nhiệt độ siêu thấp.

Chưa kể, các qubit dễ bị lỗi – nếu trạng thái của chúng bị lật do nhiễu loạn. Với máy tính cổ điển, ta có thể sao lưu dữ liệu, nhưng quy luật lượng tử không cho phép sao chép qubit.

Theo GS Anthony Laing (ĐH Bristol), “sửa lỗi” chiếm phần lớn tài nguyên của máy tính lượng tử hiện tại. Nhưng các phương pháp sửa lỗi đang dần tiến bộ, và nếu các thành phần trở nên bền vững hơn, máy tính lượng tử sẽ giản đơn mà mạnh mẽ hơn nhiều.

Cảm biến lượng tử – đo đạc siêu chính xác

Dù máy tính và mật mã lượng tử thường được chú ý nhiều, nhưng một số công nghệ lượng tử khác đã xuất hiện từ lâu.

Chẳng hạn, laser – phát minh từ thập niên 1960 – khai thác một hiệu ứng lượng tử do Einstein phát hiện năm 1917.

Các cảm biến lượng tử ngày nay có thể đo chính xác hơn rất nhiều so với thiết bị cổ điển.

Ví dụ, trong đồng hồ nguyên tử, tần số dao động của electron trong nguyên tử được dùng làm “quả lắc” chuẩn, chính xác đến mức không bị ảnh hưởng bởi sai số cơ học, mà được xác định bởi chính các định luật tự nhiên.

Bằng cách rối quấn các nguyên tử, thậm chí ta có thể “lách” qua những giới hạn đo lường của lượng tử. Đồng hồ nguyên tử chính xác đã có ứng dụng trong GPS.

Từ kế lượng tử (quantum magnetometers) – dùng tính chất “spin” của hạt lượng tử – có thể phát hiện các từ trường cực yếu.

Từ trường làm thay đổi trạng thái spin của hạt, và thay đổi đó có thể được phát hiện thông qua cách hạt hấp thụ ánh sáng.

Một máy đo từ lượng tử (quantum magnetometer) có thể được sử dụng trong y học – chẳng hạn để quét não – cũng như trong thăm dò địa chất và nhiều lĩnh vực khác.

Hơn thế nữa, việc các hạt lượng tử có thể hành xử như sóng mở ra cơ hội cho những phép đo khoảng cách và chuyển động cực kỳ chính xác.

Những “sóng vật chất” như vậy có thể bị lệch pha khi chúng di chuyển theo các quãng đường khác nhau, dẫn đến hiện tượng giao thoa khi chúng gặp lại nhau.

Điều này tương tự như cách sóng ánh sáng giao thoa với nhau để triệt tiêu một số màu và làm nổi bật những màu khác khi phản xạ từ các bề mặt óng ánh.

Khai thác hiệu ứng này cho phép phát hiện cả những khác biệt rất nhỏ về quãng đường hoặc chuyển động.

Giao thoa lượng tử hiện đã được sử dụng trong các thiết bị đo trường hấp dẫn, bằng cách cho các đám mây nguyên tử lạnh rơi theo những quỹ đạo khác nhau rồi kết hợp chúng lại.

Tuy nhiên, nguyên lý này cũng có thể được ứng dụng để đo gia tốc cho hệ thống định vị và thiết bị theo dõi chuyển động.

Thậm chí, nó còn có thể được sử dụng để kiểm nghiệm các lý thuyết nền tảng của vật lý.

Rối lượng tử: Mạng lưới có thể làm thay đổi thực tại của chúng ta

Sự vướng víu lượng tử, hay rối lượng tử (quantum entanglement), được xem là đặc điểm kỳ lạ nhất của vật lý lượng tử. Đây là hiện tượng trong đó các hạt dường như có thể ảnh hưởng lẫn nhau tức thì, bất kể khoảng cách giữa chúng xa đến đâu.

Nói cách khác, một số đặc tính của các hạt dường như mang tính “phi địa phương” (nonlocal), tức là các đặc tính đó không bị giới hạn trong bản thân hạt đó.

Do đó, sự vướng víu lượng tử dường như bỏ qua các khái niệm thông thường về không gian. Giống như thể hai hạt vướng víu không hề nhận ra rằng chúng đang bị tách rời, và hành xử như hai phần của cùng một thực thể lượng tử.

Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu các hạt lượng tử thực sự không phải là những vật thể định vị trong không gian, mà tạo thành một mạng lưới tương tác vướng víu, và điều mà chúng ta gọi là “không gian” thật ra lại phát sinh từ chính mạng lưới đó?

Nghe có vẻ kỳ lạ, nhưng một số nhà vật lý lý thuyết đã chứng minh rằng một mô tả toán học của một loại không gian đặc biệt có thể tương đương với “bóng” của mạng lưới các hạt vướng víu khi được phóng chiếu lên ranh giới của chúng. Hãy tưởng tượng mạng lưới vướng víu như một căn phòng đầy đồ vật, và “không gian” là những bóng loang lổ mà các vật thể này tạo ra trên tường.

Ý tưởng cốt lõi là sự vướng víu liên kết các thực thể lượng tử lại với nhau, tạo thành điều trông giống như không gian thông thường, trong đó khoảng cách giữa các hạt thực chất phản ánh mức độ chúng vướng víu với nhau ra sao.

Nếu chúng ta tìm ra cách để kiểm chứng giả thuyết này, nó có thể làm thay đổi cách nhìn của chúng ta về bản chất thật sự của thực tại.

Nhiệt động lực học lượng tử có thể tăng hiệu quả sử dụng năng lượng

Nhiệt động lực học, về cơ bản, là khoa học nghiên cứu mức độ hiệu quả của các cỗ máy khi vận hành.

Phát triển từ thế kỷ 19 trong thời kỳ Cách mạng Công nghiệp, lĩnh vực này xoay quanh việc sử dụng năng lượng (chẳng hạn than đá) để thực hiện công việc (như bơm nước), trong khi luôn có một phần năng lượng bị thất thoát dưới dạng nhiệt.

Tuy nhiên, các định luật cổ điển không tính đến hiện tượng vướng víu lượng tử. Các nhà khoa học hiện nay nhận ra rằng các giới hạn hiệu suất thông thường có thể bị vượt qua trong các “động cơ lượng tử”, nơi các thành phần – có thể là từng nguyên tử riêng lẻ – có liên kết vướng víu với nhau.

Hãy tưởng tượng giống như hai người phối hợp cùng làm việc hiệu quả hơn so với khi họ làm việc độc lập – sự vướng víu lượng tử cũng tạo ra hiệu quả tương tự.

Các động cơ nhiệt lượng tử siêu hiệu quả đã được chứng minh: việc chuyển đổi trạng thái lượng tử của nguyên tử – tương tự như piston chạy bằng hơi nước – có thể được khai thác để sinh công.

Cùng một nguyên lý cũng có thể được áp dụng ngược lại để tạo ra tủ lạnh lượng tử. Thậm chí còn có cả “pin lượng tử”.

Khi năng lượng được lưu trữ trong trạng thái lượng tử của nguyên tử, chúng có thể sạc nhanh hơn và xả điện hiệu quả hơn nếu được vận hành trong các hệ thống có các bản sao vướng víu với nhau.

Tất cả các thiết bị này đều có kích thước siêu nhỏ, nhưng có thể hữu ích trong việc cung cấp năng lượng và làm mát cho các thiết bị vi điện tử trên các con chip silicon.

Trọng lực lượng tử: Cơ học lượng tử đối đầu Thuyết Tương đối rộng

Dù cơ học lượng tử đã vượt qua mọi bài kiểm tra thực nghiệm do các nhà khoa học đặt ra, không phải ai cũng tin rằng đó sẽ là lý thuyết cuối cùng. Lý do là vì nó dường như không phù hợp với một trụ cột nền tảng khác của vật lý: Thuyết Tương đối rộng, do Einstein phát triển để mô tả lực hấp dẫn.

Theo Thuyết Tương đối rộng, không gian và thời gian là liên tục và trơn tru, trong khi cơ học lượng tử lại cho thấy mọi thứ mang tính “rời rạc” ở cấp độ cơ bản.

Thông thường, điều này không gây trở ngại vì cơ học lượng tử áp dụng cho những thứ cực nhỏ như nguyên tử, còn Thuyết Tương đối rộng áp dụng cho những thứ cực lớn như các ngôi sao hoặc toàn vũ trụ. Tuy nhiên, việc tồn tại hai lý thuyết không ăn khớp với nhau vẫn là điều bất hợp lý.

“Bản chất lượng tử của trọng lực là điều bắt buộc – nếu không có nó, các định luật tự nhiên như chúng ta biết hiện nay sẽ sụp đổ,” theo Giáo sư Claudia de Rham, nhà vật lý lý thuyết tại Đại học Imperial College London.

Do đó, việc tìm ra một lý thuyết lượng tử về trọng lực là “thách thức lớn nhất của vật lý hiện đại”, theo Tiến sĩ Igor Pikovski, nhà vật lý tại Học viện Công nghệ Stevens, New Jersey (Mỹ).

Chúng ta biết rằng ba trong bốn lực cơ bản của tự nhiên tuân theo cơ học lượng tử, “nhưng ta chưa rõ điều đó có đúng với trọng lực hay không,” ông nói. “Mọi nỗ lực ‘lượng tử hóa’ thuyết hấp dẫn của Einstein đến nay đều chưa đưa ra được câu trả lời thỏa đáng.”

Vì vậy, các nhà vật lý cần những thí nghiệm ít nhất gợi ý về hình thái của một lý thuyết như vậy. Nếu trọng lực là một lực lượng lượng tử, thì phải tồn tại một hạt mang nó – các nhà vật lý gọi đó là hạt graviton. Nhóm của Pikovski và nhiều nhóm khác đang hy vọng tìm ra hạt này.

“Người ta từng nghĩ rằng các thí nghiệm như vậy là bất khả thi, nhưng đó là nhận định sai,” ông nói. “Tôi tin rằng những thí nghiệm đó sẽ thành hiện thực trong vài năm hoặc một thập kỷ tới. Đây là thời điểm đầy hứa hẹn.”

Cũng theo bà de Rham, có một lựa chọn khác: thay vì nhìn vào cái cực nhỏ, hãy nhìn vào cái cực lớn – “dấu vết của bản chất lượng tử của trọng lực trên bầu trời”.

Những dao động ngẫu nhiên trong kết cấu không-thời gian vào thời điểm sơ khai của vũ trụ – khi nó vẫn còn rất nhỏ – có thể đã để lại dấu ấn trong bức xạ nền vi ba vũ trụ (cosmic microwave background radiation – CMB) lan tỏa khắp không gian.

Bà cho biết các nhà thiên văn học đang nỗ lực quan sát “vân tay lượng tử” này trong toàn vũ trụ.

Vấn đề đo lường trong cơ học lượng tử

Đã một thế kỷ kể từ khi cơ học lượng tử được hình thành, nhưng cho đến nay các nhà khoa học vẫn chưa thống nhất được nó thật sự có nghĩa là gì. Nguyên nhân chủ yếu nằm ở một vấn đề then chốt: việc đo lường.

Thông thường, nếu muốn biết một thuộc tính nào đó của vật – chẳng hạn tốc độ của quả bóng tennis – chúng ta chỉ cần quan sát và đo nó. Nếu cẩn thận, ta có thể tính chính xác tốc độ mà không làm ảnh hưởng đến quả bóng.

Tuy nhiên, trong cơ học lượng tử, việc đo lường dường như thay đổi bản chất của đối tượng lượng tử, và kết quả quan sát phụ thuộc vào cách ta quan sát nó.

Ví dụ, nếu bạn quan sát một nguyên tử theo một cách, nó trông giống như một hạt nhỏ với vị trí cụ thể trong không gian. Nhưng nếu quan sát theo cách khác, nó lại hiện ra như một làn sóng lan tỏa.

Vấn đề cơ bản là: cơ học lượng tử không định nghĩa rõ thế nào là một phép đo. Nó chỉ đưa ra xác suất cho các kết quả có thể xảy ra – ví dụ, xác suất một electron sẽ xuất hiện ở vị trí này hay vị trí kia.

Vậy làm sao ta đi từ vô số vị trí khả dĩ trước khi đo, đến một vị trí xác định sau khi đo? Liệu việc “quan sát” đơn thuần có thể thật sự tạo ra sự thay đổi đó không?

Một trong những người sáng lập cơ học lượng tử, Niels Bohr, từng có tranh luận nổi tiếng với Albert Einstein về câu hỏi này.

Einstein tin rằng phải có điều gì đó thực sự tồn tại và có thể nói được về đối tượng lượng tử trước khi quan sát, còn Bohr cho rằng lý thuyết lượng tử không thể đưa ra thông tin gì trước khi phép đo được thực hiện.

Cốt lõi của tranh luận này là: chúng ta có thể xem cái gì là “thực”?

Vì không ai có câu trả lời dứt khoát, vấn đề này đã bị bỏ qua trong nhiều thập kỷ. Mãi đến những năm 1970, các thí nghiệm mới có thể được thiết kế để kiểm tra trực tiếp. Kết quả dường như loại trừ quan điểm của Einstein về một thực tại xác định tồn tại độc lập với việc quan sát.

Tuy nhiên, điều đó không có nghĩa Bohr đúng.

Hiện nay có nhiều cách giải thích khác nhau cạnh tranh để lý giải hiện tượng lượng tử. Một số cho rằng các hạt là có thật và có thể di chuyển theo những quỹ đạo kỳ lạ được “hướng dẫn” bởi sóng trong một trường lượng tử phổ quát.

Một số khác lập luận rằng mọi kết quả khả dĩ đều xảy ra, nhưng ở những vũ trụ khác nhau – chúng tách ra tại thời điểm quan sát.

Dù chưa có sự đồng thuận, nhưng giờ đây, hy vọng không còn xa vời rằng một ngày nào đó, các thí nghiệm sẽ giúp phân định các cách lý giải khác nhau – và tiết lộ bản chất thực sự của thực tại.

Ảnh minh họa khái niệm về một cặp hạt lượng tử vướng víu (bên trái và bên phải) tương tác với nhau từ khoảng cách xa. Ảnh: Science Photo Library

Máy đo từ lượng tử có thể phát hiện các từ trường rất yếu, được sử dụng để quét não – Ảnh: Qnami/Fraunhofer IAF

Minh họa về pin lượng tử, thiết bị lưu trữ năng lượng trong các trạng thái lượng tử của nguyên tử. Ảnh: Shutterstock

Một trong những người sáng lập cơ học lượng tử, Niels Bohr (trái), tranh luận với Albert Einstein (phải) về lý thuyết lượng tử. Ảnh: Getty Images