Thứ Tư, 4 tháng 11, 2015

Viễn tải lượng tử (Teleportation)

Có thể chăng làm biến mất một con người tại một điểm, để rồi tái tạo con người đó tại một điểm khác? Đây là khoa học hay viễn tưởng?

Phim khoa học viễn tưởng nhiều tập Star Trek đã dựng nên một viễn cảnh khoa học giàu tưởng tượng . Thuyền trưởng Kirk nhờ thuyền phó bấm một số nút và Kirk đã phi vật chất hoá (dematerialise) thành một tia chớp ánh sáng để xuất hiện trên một hành tinh bí ẩn .

Viễn tải (teleportation) từ lâu là một câu chuyện khoa học viễn tưởng. Đến năm 1992 một nhóm các nhà vật lý và tin học đã tìm ra ý tưởng để sao chép một trạng thái của một hạt đến một nơi khác. Họ đã sử dụng một hiện tượng do Einstein phát hiện trong những năm 30 của thế kỷ trước : trong một số điều kiện, hai thực thể lượng tử lại được nối liền với nhau ( liên đới lượng tử –quantum entanglement ) bởi một sợi dây vô hình , bí ẩn .


Trong những năm gần đây người ta đã tiến hành những thí nghiệm chứng tỏ viễn tải lượng tử là vấn đề khoa học nghiêm chỉnh , mở ra những khả năng rộng lớn cho tính toán lượng tử , mật mã lượng tử .

A . Qubit ( quantum bit ) , bit lượng tử là gì ?

Chúng ta đã biết bit là một thực thể vật lý , có thể lấy 2 trạng thái mà trong kỹ thuật số ta gọi là 0 và 1. Một bit lượng tử được viết tắt là qubit ( hoặc qbit).Ta sẽ dùng ký hiệu

I xyz… > để chỉ trạng thái xyz…

Giống như bit cố điển qubit cũng có các trạng thái, hai trạng thái khả dĩ của qubit là I0> và I1> . Song một điểm khác nhau giữa bit và qubit là : ngoài hai trạng thái I0> và I1> , qubit còn có nhiều trạng thái làm thành một tổ hợp tuyến tính
F = a I0> + b I1>
trong đó a và b là những số nói chung là phức .
Như vậy qubit có cả một continuum trạng thái giữa I0> và I1> .

Người ta có thể thực hiện qubit nhờ hai trạng thái phân cực của photon ,có thể nhờ hai hình chiếu spin của một electron , …

Người ta cũng có thể xét hệ nhiều qubit . Hai qubit có các trạng thái
I00 >, I01 >, I10> và I11>
do đó có trạng thái tổng quát là
a I 00 > + b I 01 > + c I10> + d I11>
I mn > biểu diễn hàm sóng của hai hạt : m là hình chiếu spin của hạt thứ nhất , còn n là hình chiếu spin của hạt thứ hai .

B . Các cổng ( gate ) trong mạch lượng tử ( quantum circuit )

Trong một mạch lượng tử người ta có thể chế tạo những cổng nhất định để biến đổi trạng thái của các qubit .Sau đây ta cần các cổng Pauli-X , Pauli-Z, cổng Hadamard tác động trên qubit đơn và cổng CNOT tác động trên hệ 2 qubit .
Về các cổng lượng tử xin xem

C . Cặp hạt EPR ( mấu chốt của viễn tải )

Đây là một cặp hạt mà hàm sóng F của chúng không thể viết thành tích trực tiếp của hai hạt : F không bằng F1.F2 mà có dạng trộn lẫn 1 và 2 như sau :
IF00> = I00> + I11>
IF01> = I01> + I10>
IF10> = I00> – I11>
IF11> = I01> – I10>

Các trạng thái I Fmn> gọi là các trạng thái Bell , hoặc trạng thái EPR hoặc cặp EPR, đặt theo chữ cái đầu tiên của tên các tác giả Einstein, Podolsky & Rosen là những người đầu tiên phát hiện ra các tính chất kỳ lạ của những trạng thái đó .

Xuất hiện một điều kỳ lạ , trị riêng đo được của hạt này lại phụ thuộc vào trị riêng đo được của hạt kia , cho dù rằng chúng được tách rời nhau đến vô cực ! Hiện tượng ảnh hưởng của phép đo thực hiện trên một hạt này đối với hạt cách xa là một hiện tượng “phi định xứ “ ( non-locality ). Người ta nói rằng hai hạt EPR là liên đới lượng tử ( quantum entanglement – nhiều tác giả sử dụng từ vướng mắc lượng tử hay rối lượng tử ).

Einstein đã gọi hiện tượng này là một tác động ma lực ở khoảng cách ( spooky action at a distance ) . Đây là một hiện tượng thuần tuý cơ học lượng tử .

Một lần nữa chúng ta gặp thiên tài Einstein , đã phát hiện ra tác động ma lực ở khoảng cách trong cơ học lượng tử . Trong những năm gần đây hiện tượng liên đới lượng tử mở ra những triển vọng to lớn về viễn tải lượng tử, tính toán lượng tử và mật mã lượng tử .

D . Có thể chế tạo một cặp hạt EPR hay không?

Nhà vật lý Pháp Alain Aspect và nhà vật lý Mỹ đã đưa ra một phương pháp đơn giản để chế tạo cặp hạt liên đới lượng tử ( entanglement ) : khi một xung laser bắn vào một tinh thể mang những tính chất gọi là “ phi tuyến “ , thì một photon biến thành một cặp photon liên đới lượng tử ( với độ dài sóng lớn hơn ). Hai photon có thể liên đới lượng tử nếu được sinh ra ví dụ từ phân rã của hạt pi-meson trung hoà .

E . Viễn tải lượng tử ( teleportation)

Từ này do nhà văn Mỹ Charles Fort đưa ra đầu thế kỷ XX . Sau đó từ này được được các nhà văn viễn tưởng sử dụng để mô tả những cách chuyển tải vật chất , trong quá trình chuyển tải đó ,vật chất được biến thành năng lượng, rồi sau đó được tái tạo tại điểm đến sau khi năng lượng được chuyển xuyên qua không gian .

Viễn tải lượng tử mang một ý nghĩa hơi khác : đây là quá trình chuyển một trạng thái lượng tử của một hạt , hay của một hệ lượng tử phức tạp hơn mà không chuyển tải bản thân hạt hay hệ đó .

Người ta đã có thể thực hiện được viễn tải lượng tử , điều này làm cho viễn tải lượng tử trở thành một hiện tượng gây ngạc nhiên lớn . Viễn tải lượng tử có những điểm giống với viễn tải mà các nhà văn dùng : thứ nhất là phải “ huỷ “ nguyên bản để rồi “tái tạo” tại một điểm khác trong không gian , thứ hai là cần phải có một qua trình chuyển thông tin theo kênh cổ điển , điều này tương đương với việc chuyển tải năng lượng .

Alice và Bob chia nhau hai hạt của cặp EPR . Alice cho hạt của mình tương tác với một trạng thái lượng tử không biết F và báo kết quả đo của mình theo đường điện thoại cổ điển cho Bob .

Theo thông tin nhận được Bob giải mã bằng cách thực hiện những thí nghiệm nhất định trên hạt của mình và tạo lại được trạng thái F và hoàn thành quá trình viễn tải trạng thái F (xem hình 1).

F . Làm thế nào để thực hiện viễn tải lượng tử ?

Quá trình thực hiện như sau (xem hình 2 & 3).Trên hình 3 là mạch lượng tử để viễn tải một qubit .
Dòng trên hết là qubit 1 mà ta muốn viễn tải trạng thái . Dòng thứ hai là qubit 2 ứng với hạt 2 trong cặp EPR mà Alice giữ lại bên mình . Dòng thứ 3 là qubit 3 ứng với hạt 3 trong cặp EPR mà Alice đã gửi cho Bob . M1 và M2 là các phép đo.


Đường kép ứng với thông tin cổ điển . Đường sóng chỉ rằng qubit 2 và 3 là liên đới lượng tử .
Alice thực hiện những công việc mã hóa (đo trong cơ sở Bell):
Ví dụ Alice ( A ) cần viễn tải trạng thái F của một hạt (gọi là hạt 1 ) cho bạn là Bob ( B) .

Trước hết A chế tạo một cặp Bell , hay nói cách khác một cặp EPR ví dụ ở trạng thái IF00>.

Một hạt ( gọi là hạt 2 ) trong cặp Bell A giữ lại bên mình , còn hạt kia ( gọi là hạt 3 ) gửi cho B . Như vậy A và B đã sở hữu hai hạt liên đới lượng tử 2 và 3.Đây là điểm mấu chốt của quá trình .

Trạng thái F có dạng : F = a I0>+bI1> .

Trạng thái của hệ hạt 1 (có trạng thái F) và hạt Bell 2 (mà A đang giữ ) được đưa vào đầu vào (input) của mạch là (đây là phép đo trong cơ sở Bell –in Bell basis):

IF0> = IF>IF00>

Tiếp theo A đưa hai qubit 1 & 2 qua cổng CNOT nói trước đây , và IF0> biến thành IF1>.Sau đó đưa qubit 1 qua cổng Hadamard IF1> biến thành IF2> với kết quả là:

IF2> = I00>(aI1> + bI0>)
+ I01>(aI1> + bI0>)
+ I10>(aI0> – bI1>)
+ I11> (aI1> – bI0>)

Như vậy là Alice và phá hủy trạng thái F, những thay đổi này lập tức xuất hiện ở Bob vì Bob sở hữu hạt Bell 3 liên đới lượng tử với hạt Bell 2.

Bob giải mã sau khi nhận được những thông tin từ Alice:

1 / Nếu Alice thực hiện một phép đo nữa và báo cho Bob kết quả thu được là 00 thì qubit nằm sau 00 của Bob ở trong trạng thái F = aI1> + bI0> (xem hàng đầu của IF2>) nghĩa là nằm đúng trong trạng thái F , mà Alice muốn viễn tải đến cho Bob

2 / Nếu kết quả đo được của Alice là 01 ( xem hàng thứ hai của công thức trên ) thì Bob phải điều chỉnh qubit nằm sau 01 của mình để có F bằng cách cho qubit đi qua cổng X .Sau khi đi qua cổng X thì có F.

3 / Nếu kết quả của Alice là 10 ( xem hàng thứ ba của công thức trên thì Bob phải cho qubit nằm sau 10 của mình đi qua cổng Z để thu được F.

4 / Nếu kết quả của A là 11 ( xem hàng thứ tư của công thức trên ) thì Bob phải cho qubit nằm sau 11 của mình đi qua cổng X và sau đó qua cổng Z thì thu được F .

Lẽ dĩ nhiên , Bob cần có thông tin từ Alice để biết kết quả đo của Alice , vậy Alice phải dùng một kênh thông tin cổ điển để báo cho Bob biết kết quả đo của mình, như thế Alice cũng không viễn tải trạng thái F nhanh hơn ánh sáng được !

Như vậy với viễn tải lượng tử cần chú ý hai điều :

1/ Không thể chuyển thông tin nhanh hơn tốc độ ánh sáng
2/ Trạng thái F ban đầu bị phá huỷ vì sau các phép đo , F co lại thành hoặc I0 > hoặc I1> tuỳ theo kết quả đo được đối với qubit số 1. Hiện tượng này gọi là định lý “không nhân bản được “ ( no-cloning theorem ).

G . Những thí nghiệm đã được thực hiện thành công

1997 thành công viễn tải đối với photon ( khoảng cách ~ 10km) . Sau đó viễn tải thành công với nguyên tử,ion, electron.Hiện nay khoảng cách viễn tải kỷ lục là vào khoảng 150 km.


Tài liệu tham khảo :
[ 1 ] Michael A.Nielsen & Isaac L.Chuang , Quantum Computation and Quantum Information, Cambridge , University Press
[ 2 ] Toney Hey & Patricck Walters , The New Quantum Universe
[ 3 ] La Recherche N0 386 ,mai 2005

Không có nhận xét nào: