Các nhà nghiên cứu ETH Zurich chứng minh tương quan cơ học lượng tử ở khoảng cách

Được dẫn dắt bởi Andreas Wallraff, giáo sư vật lý chất rắn, các nhà nghiên cứu đã thực hiện phép thử Bell không có kẽ hở để bác bỏ khái niệm “quan hệ nhân quả cục bộ” do Albert Einstein đưa ra để phản ứng với cơ học lượng tử. Bằng cách chỉ ra rằng các vật thể cơ học lượng tử cách xa nhau có thể tương quan mạnh mẽ với nhau hơn là có thể có trong các hệ thống thông thường, các nhà nghiên cứu đã cung cấp thêm xác nhận cho cơ học lượng tử. Điều đặc biệt của thí nghiệm này là lần đầu tiên các nhà nghiên cứu có thể thực hiện nó bằng cách sử dụng các mạch siêu dẫn, vốn được coi là những ứng cử viên đầy triển vọng để chế tạo các máy tính lượng tử mạnh mẽ.

Thử nghiệm Bell dựa trên một thiết lập thử nghiệm ban đầu được nghĩ ra như một thử nghiệm tưởng tượng của nhà vật lý người Anh John Bell vào những năm 1960. Bell muốn giải quyết một câu hỏi mà các nhà vật lý vĩ đại đã tranh luận vào những năm 1930: Liệu những dự đoán của cơ học lượng tử, vốn hoàn toàn trái ngược với trực giác hàng ngày, có đúng không, hay các khái niệm nhân quả thông thường cũng được áp dụng trong thế giới vi mô nguyên tử, như Albert Einstein đã tin?

Để trả lời câu hỏi này, Bell đề xuất thực hiện một phép đo ngẫu nhiên trên hai hạt vướng víu cùng một lúc và kiểm tra nó theo bất đẳng thức Bell. Nếu quan niệm về quan hệ nhân quả cục bộ của Einstein là đúng thì những thí nghiệm này sẽ luôn thỏa mãn bất đẳng thức Bell. Ngược lại, cơ học lượng tử dự đoán rằng chúng sẽ vi phạm nó.

Vào đầu những năm 1970, John Francis Clauser, người đã được trao giải Nobel Vật lý năm ngoái, và Stuart Freedman đã tiến hành thử nghiệm Bell thực tế đầu tiên. Trong các thí nghiệm của họ, hai nhà nghiên cứu đã có thể chứng minh rằng bất đẳng thức Bell thực sự bị vi phạm. Nhưng họ phải đưa ra một số giả định nhất định trong các thí nghiệm của mình để có thể tiến hành chúng ngay từ đầu. Vì vậy, về mặt lý thuyết, vẫn có thể xảy ra trường hợp Einstein đúng khi hoài nghi về cơ học lượng tử.

Tuy nhiên, theo thời gian, nhiều lỗ hổng này có thể bị lấp lại. Cuối cùng, vào năm 2015, nhiều nhóm khác nhau đã thành công trong việc tiến hành các thử nghiệm Bell thực sự không có kẽ hở đầu tiên, do đó cuối cùng đã giải quyết được tranh chấp cũ.

Nhóm của Wallraff cho biết giờ đây họ có thể xác nhận những kết quả này bằng một thí nghiệm mới. Công trình của các nhà nghiên cứu ETH được đăng trên tạp chí khoa học nổi tiếng Thiên nhiên cho thấy rằng nghiên cứu về chủ đề này vẫn chưa kết thúc, mặc dù đã có xác nhận ban đầu cách đây bảy năm. Cái này có một vài nguyên nhân. Trước hết, thí nghiệm của các nhà nghiên cứu ETH xác nhận rằng các mạch siêu dẫn cũng hoạt động theo các định luật cơ học lượng tử, mặc dù chúng lớn hơn nhiều so với các vật thể lượng tử cực nhỏ như photon hoặc ion. Các mạch điện tử có kích thước vài trăm micromet làm bằng vật liệu siêu dẫn và hoạt động ở tần số vi sóng được gọi là các vật thể lượng tử vĩ mô.

Mặt khác, các bài kiểm tra Bell cũng có một ý nghĩa thực tế. Simon Storz, một nghiên cứu sinh tiến sĩ trong nhóm của Wallraff, giải thích: “Các bài kiểm tra Bell đã sửa đổi có thể được sử dụng trong mật mã học, chẳng hạn, để chứng minh rằng thông tin thực sự được truyền ở dạng mã hóa. “Với cách tiếp cận của chúng tôi, chúng tôi có thể chứng minh hiệu quả hơn nhiều so với khả năng có thể trong các thiết lập thử nghiệm khác rằng bất đẳng thức Bell bị vi phạm. Điều đó làm cho nó đặc biệt thú vị cho các ứng dụng thực tế.”

Vì vậy, khi thiết lập thí nghiệm, điều quan trọng là phải đạt được sự cân bằng: khoảng cách giữa hai mạch siêu dẫn càng lớn thì càng có nhiều thời gian cho phép đo – và việc thiết lập thí nghiệm càng trở nên phức tạp. Điều này là do toàn bộ thí nghiệm phải được tiến hành trong chân không gần bằng không tuyệt đối.

Các nhà nghiên cứu của ETH đã xác định khoảng cách ngắn nhất để thực hiện thử nghiệm Bell không có kẽ hở thành công là khoảng 33 mét, vì một hạt ánh sáng mất khoảng 110 nano giây để di chuyển quãng đường này trong chân không. Đó là một vài nano giây nhiều hơn thời gian các nhà nghiên cứu thực hiện thí nghiệm.

Nhóm của Wallraff đã xây dựng một cơ sở ấn tượng trong lối đi ngầm của khuôn viên ETH. Ở mỗi đầu trong số hai đầu của nó là một bộ điều hòa nhiệt độ chứa một mạch siêu dẫn. Hai thiết bị làm mát này được nối với nhau bằng một ống dài 30 mét có phần bên trong được làm mát đến nhiệt độ ngay trên độ không tuyệt đối (–273.15°C).

Trước khi bắt đầu mỗi phép đo, một photon vi sóng được truyền từ một trong hai mạch siêu dẫn này sang mạch kia để hai mạch trở nên vướng víu. Sau đó, các trình tạo số ngẫu nhiên sẽ quyết định phép đo nào được thực hiện trên hai mạch như một phần của bài kiểm tra Bell. Tiếp theo, kết quả đo ở cả hai bên được so sánh.

Sau khi đánh giá hơn một triệu phép đo, các nhà nghiên cứu đã chỉ ra với độ chắc chắn thống kê rất cao rằng bất đẳng thức Bell bị vi phạm trong thiết lập thử nghiệm này. Nói cách khác, họ đã xác nhận rằng cơ học lượng tử cũng cho phép có những tương quan phi cục bộ trong các mạch điện vĩ mô và do đó các mạch siêu dẫn có thể bị vướng víu trên một khoảng cách lớn. Điều này mở ra những ứng dụng thú vị có thể có trong lĩnh vực điện toán lượng tử phân tán và mật mã lượng tử.

Wallraff cho biết việc xây dựng cơ sở và tiến hành thử nghiệm là một thách thức. “Chúng tôi đã có thể tài trợ cho dự án trong khoảng thời gian sáu năm với nguồn tài trợ từ Khoản tài trợ nâng cao của ERC.” Chỉ cần làm mát toàn bộ thiết lập thử nghiệm đến nhiệt độ gần bằng độ không tuyệt đối cũng cần nỗ lực đáng kể. “Có 1.3 tấn đồng và 14,000 con vít trong máy của chúng tôi, cũng như rất nhiều kiến ​​thức vật lý và bí quyết kỹ thuật,” Wallraff nói. Ông tin rằng về nguyên tắc, có thể xây dựng các cơ sở vượt qua khoảng cách thậm chí còn lớn hơn theo cách tương tự. Chẳng hạn, công nghệ này có thể được sử dụng để kết nối các máy tính lượng tử siêu dẫn ở khoảng cách rất xa.