Sự vướng víu lượng tử vẫn là một trong những lĩnh vực nghiên cứu thách thức nhất đối với các nhà vật lý hiện đại. Được Einstein mô tả là hành động ma quái ở khoảng cách xa, các nhà khoa học từ lâu đã tìm cách dung hòa làm thế nào khía cạnh này của cơ học lượng tử có thể cùng tồn tại với cơ học cổ điển. Về cơ bản, việc hai hạt có thể được kết nối qua khoảng cách lớn vi phạm các quy tắc của địa phương và chủ nghĩa hiện thực.
Chính thức, đây là một sự vi phạm Bell Bell Ineqaulity, một lý thuyết đã được sử dụng trong nhiều thập kỷ để chỉ ra rằng địa phương và chủ nghĩa hiện thực là hợp lệ mặc dù không phù hợp với cơ học lượng tử. Tuy nhiên, trong một nghiên cứu gần đây, một nhóm các nhà nghiên cứu từ Đại học Ludwig-Maximilian (LMU) và Viện Quang học lượng tử Max Planck ở Munich đã tiến hành các thử nghiệm một lần nữa vi phạm Bell bất đẳng thức và chứng minh sự tồn tại của sự vướng víu.
Nghiên cứu của họ, có tiêu đề Thử nghiệm chuông sẵn sàng sự kiện bằng cách sử dụng các nguyên tử vướng víu đồng thời Phát hiện đóng cửa và lỗ hổng địa phương, gần đây đã được xuất bản trong Thư đánh giá vật lý. Được dẫn dắt bởi Wenjamin Rosenfeld, một nhà vật lý tại LMU và Viện Quang học lượng tử Max Planck, nhóm nghiên cứu đã tìm cách kiểm tra bất đẳng thức Bell bằng cách vướng vào hai hạt ở khoảng cách xa.
Bất đẳng thức Bell (được đặt theo tên của nhà vật lý người Ireland John Bell, người đã đề xuất nó vào năm 1964) về cơ bản nói rằng các tính chất của các vật thể tồn tại độc lập với sự quan sát (chủ nghĩa hiện thực) và không có thông tin hoặc ảnh hưởng vật lý nào có thể lan truyền nhanh hơn tốc độ ánh sáng (địa phương). Những quy tắc này mô tả hoàn hảo thực tế mà con người chúng ta trải nghiệm hàng ngày, nơi mọi thứ bắt nguồn từ một không gian và thời gian cụ thể và tồn tại độc lập với một người quan sát.
Tuy nhiên, ở cấp độ lượng tử, mọi thứ dường như không tuân theo các quy tắc này. Các hạt không chỉ có thể được kết nối theo cách không cục bộ trên khoảng cách lớn (nghĩa là vướng víu), mà các thuộc tính của các hạt này không thể được xác định cho đến khi chúng được đo. Và trong khi tất cả các thí nghiệm đã xác nhận rằng các dự đoán của cơ học lượng tử là chính xác, một số nhà khoa học đã tiếp tục lập luận rằng có những sơ hở cho phép hiện thực cục bộ.
Để giải quyết vấn đề này, nhóm Munich đã tiến hành một thí nghiệm sử dụng hai phòng thí nghiệm tại LMU. Trong khi phòng thí nghiệm đầu tiên được đặt tại tầng hầm của khoa vật lý, phòng thí nghiệm thứ hai nằm ở tầng hầm của khoa kinh tế - cách đó khoảng 400 mét. Trong cả hai phòng thí nghiệm, các đội đã bắt được một nguyên tử rubidium trong một cái bẫy tại chỗ và sau đó bắt đầu kích thích chúng cho đến khi chúng giải phóng một photon duy nhất.
Như Tiến sĩ Wenjamin Rosenfeld đã giải thích trong thông cáo báo chí của Viện Max Planck:
Hai trạm quan sát của chúng tôi được vận hành độc lập và được trang bị hệ thống điều khiển và laser riêng. Do khoảng cách 400 mét giữa các phòng thí nghiệm, việc liên lạc từ phòng này sang phòng khác sẽ mất 1328 nano giây, nhiều hơn nhiều so với thời gian của quá trình đo. Vì vậy, không có thông tin về phép đo trong một phòng thí nghiệm có thể được sử dụng trong phòng thí nghiệm khác. Đó là cách chúng tôi đóng lỗ hổng địa phương.
Một khi hai nguyên tử rubidium bị kích thích đến mức giải phóng một photon, trạng thái spin của các nguyên tử rubidium và trạng thái phân cực của các photon bị vướng víu một cách hiệu quả. Các photon sau đó được ghép thành các sợi quang và được dẫn đến một thiết lập nơi chúng bị nhiễu. Sau khi tiến hành đo đạc trong tám ngày, các nhà khoa học đã có thể thu thập khoảng 10.000 sự kiện để kiểm tra các dấu hiệu vướng víu.
Điều này đã được chỉ ra bởi các spin của hai nguyên tử rubidium bị bẫy, chúng sẽ chỉ theo cùng một hướng (hoặc theo hướng ngược lại, tùy thuộc vào loại vướng víu). Điều mà nhóm Munich tìm thấy là trong phần lớn các sự kiện, các nguyên tử ở cùng trạng thái (hoặc ở trạng thái ngược lại) và chỉ có sáu độ lệch phù hợp với Bất đẳng thức Bell.
Những kết quả này cũng có ý nghĩa thống kê cao hơn so với kết quả mà một nhóm các nhà vật lý người Hà Lan thu được vào năm 2015. Vì nghiên cứu đó, nhóm nghiên cứu Hà Lan đã tiến hành thí nghiệm sử dụng các electron trong kim cương tại các phòng thí nghiệm cách nhau 1,3 km. Cuối cùng, kết quả của họ (và các thử nghiệm gần đây khác về Bất đẳng thức Bell) đã chứng minh rằng sự vướng víu lượng tử là có thật, đóng lại một cách hiệu quả lỗ hổng của chủ nghĩa hiện thực địa phương.
Như Wenjamin Rosenfeld đã giải thích, các thử nghiệm được thực hiện bởi nhóm của ông cũng vượt xa các thí nghiệm khác bằng cách giải quyết một vấn đề lớn khác. Chúng tôi đã có thể xác định trạng thái spin của các nguyên tử rất nhanh và rất hiệu quả, ông nói. Do đó, chúng tôi đã đóng một lỗ hổng tiềm năng thứ hai: giả định rằng vi phạm quan sát được gây ra bởi một mẫu không hoàn chỉnh của các cặp nguyên tử được phát hiện.
Bằng cách thu thập bằng chứng về sự vi phạm bất bình đẳng Bell, các nhà khoa học không chỉ giúp giải quyết sự bất nhất kéo dài giữa vật lý cổ điển và lượng tử. Họ cũng đang mở ra cánh cửa cho một số khả năng thú vị. Chẳng hạn, trong nhiều năm, nhà khoa học đã dự đoán sự phát triển của các bộ xử lý lượng tử, dựa trên các vướng mắc để mô phỏng các số không và các mã nhị phân.
Các máy tính dựa trên cơ học lượng tử sẽ nhanh hơn theo cấp số nhân so với các bộ vi xử lý thông thường và sẽ mở ra một thời đại nghiên cứu và phát triển mới. Các nguyên tắc tương tự đã được đề xuất cho an ninh mạng, trong đó mã hóa lượng tử sẽ được sử dụng để thông tin trên mạng, khiến nó trở nên bất khả xâm phạm đối với các tin tặc dựa vào máy tính thông thường.
Cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng, đó là khái niệm Truyền thông vướng víu lượng tử, một phương pháp cho phép chúng ta truyền thông tin nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Hãy tưởng tượng các khả năng du hành không gian và thám hiểm nếu chúng ta không còn bị ràng buộc bởi các giới hạn của giao tiếp tương đối tính!
Einstein đã không sai khi ông mô tả các vướng mắc lượng tử là hành động ma quái của Hồi giáo. Thật vậy, phần lớn ý nghĩa của hiện tượng này vẫn đáng sợ như chúng hấp dẫn các nhà vật lý. Nhưng chúng ta càng hiểu rõ về nó, chúng ta sẽ càng tiến gần hơn đến việc phát triển sự hiểu biết về cách tất cả các lực vật lý đã biết của Vũ trụ khớp với nhau - aka. một lý thuyết của tất cả mọi thứ!
