Những phát minh như bóng bán dẫn và laser đã thay đổi thế giới. Cuộc cách mạng lượng tử thứ hai sẽ mang lại những thay đổi gì?
Đối với các nhà vật lý đang cố gắng khai thác sức mạnh của điện, không có công cụ nào quan trọng hơn ống chân không. Thiết bị giống như bóng đèn này kiểm soát dòng điện và có thể khuếch đại tín hiệu. Đầu thế kỷ 20, ống chân không được sử dụng trong radio, tivi và mạng điện thoại đường dài.
Nhưng ống chân không có những hạn chế đáng kể: Chúng tạo ra nhiệt; chúng cồng kềnh; và họ có khuynh hướng kiệt sức. Các nhà vật lý tại Bell Labs, một công ty con của AT&T, quan tâm đến việc tìm kiếm một vật thay thế.
Áp dụng kiến thức về cơ học lượng tử – cụ thể là cách các electron di chuyển giữa các vật liệu có tính dẫn điện – họ đã tìm ra cách bắt chước chức năng của các ống chân không mà không có những thiếu sót đó.
Họ đã phát minh ra bóng bán dẫn. Vào thời điểm đó, phát minh này không có mặt trên trang nhất của bất kỳ ấn phẩm tin tức lớn nào. Ngay cả bản thân các nhà khoa học cũng không thể đánh giá được mức độ quan trọng của thiết bị của họ.
“Vào buổi bình minh của thế kỷ 20, một lý thuyết mới về vật chất và năng lượng đã xuất hiện.”
Đầu tiên là đài bán dẫn, được phổ biến phần lớn bởi công ty Sony mới của Nhật Bản. Việc lan rộng quyền truy cập di động vào các chương trình phát thanh đã thay đổi âm nhạc và kết nối các góc khác nhau trên thế giới.
Các bóng bán dẫn sau đó đã mở đường cho Dự án Apollo của NASA, dự án đầu tiên đưa con người lên mặt trăng. Và có lẽ quan trọng nhất, các bóng bán dẫn được tạo ra ngày càng nhỏ hơn, thu nhỏ các máy tính có kích thước trong phòng và phóng đại sức mạnh của chúng để cuối cùng tạo ra máy tính xách tay và điện thoại thông minh.
Các thiết bị lấy cảm hứng từ lượng tử này là trung tâm của mọi ứng dụng điện tử hiện đại sử dụng một số sức mạnh tính toán, chẳng hạn như ô tô, điện thoại di động và máy ảnh kỹ thuật số. Bạn sẽ không đọc được câu này nếu không có bóng bán dẫn, đây là một phần quan trọng của cái mà bây giờ được gọi là cuộc cách mạng lượng tử đầu tiên.
Các nhà vật lý lượng tử Jonathan Dowling và Gerard Milburn đã đặt ra thuật ngữ “cuộc cách mạng lượng tử” trong một bài báo năm 2002. Trong đó, họ cho rằng giờ đây chúng ta đã bước sang một kỷ nguyên mới, một cuộc cách mạng lượng tử lần thứ hai. Milburn, giáo sư danh dự tại Đại học Queensland cho biết: “Tôi vừa nhận ra rằng thực sự có một biên giới công nghệ hoàn toàn mới đang mở ra.”
Cuộc cách mạng lượng tử thứ hai này được xác định bởi sự phát triển của các công nghệ như tính toán lượng tử và cảm biến lượng tử, mang lại sự hiểu biết sâu sắc hơn về thế giới lượng tử và điều khiển độ chính xác xuống cấp độ của từng hạt riêng lẻ.
Hiểu biết về lượng tử
Vào buổi bình minh của thế kỷ 20, một lý thuyết mới về vật chất và năng lượng đã xuất hiện. Không hài lòng với những giải thích cổ điển về hành vi kỳ lạ của các hạt, các nhà vật lý đã phát triển một hệ thống cơ học mới để mô tả những gì dường như là một thế giới lượng tử hóa, không chắc chắn, xác suất.
Một trong những câu hỏi chính mà cơ học lượng tử giải quyết là bản chất của ánh sáng. Các nhà vật lý thế kỷ mười tám tin rằng ánh sáng là một hạt. Các nhà vật lý thế kỷ 19 đã chứng minh nó phải là một làn sóng. Các nhà vật lý thế kỷ 20 đã giải quyết vấn đề bằng cách xác định lại các hạt bằng cách sử dụng các nguyên tắc của cơ học lượng tử. Họ đề xuất rằng các hạt ánh sáng, bây giờ được gọi là photon, có một số xác suất tồn tại ở một vị trí nhất định – một xác suất có thể được biểu thị dưới dạng sóng và thậm chí trải qua giao thoa như một.
Bức tranh thế giới mới được phát hiện này đã giúp tạo nên ý nghĩa của các kết quả như của thí nghiệm khe kép, cho thấy rằng các hạt như electron và photon có thể hoạt động như thể chúng là sóng.
Nhưng liệu một thế giới quan lượng tử có thể hữu ích bên ngoài phòng thí nghiệm?
Lúc đầu, “lượng tử thường được coi là nguồn gốc của sự bí ẩn và nhầm lẫn và tất cả các loại nghịch lý kỳ lạ,” Milburn nói.
Nhưng sau Thế chiến thứ hai, người ta bắt đầu tìm ra cách sử dụng những nghịch lý đó để hoàn thành công việc. Dựa trên những ý tưởng lượng tử mới về hành vi của các electron trong kim loại và các vật liệu khác, các nhà nghiên cứu William Shockley, John Bardeen và Walter Brattain của Bell Labs đã tạo ra bóng bán dẫn đầu tiên. Họ nhận ra rằng việc kẹp các chất bán dẫn lại với nhau có thể tạo ra một thiết bị cho phép dòng điện chạy theo một hướng chứ không chạy theo hướng khác. Các công nghệ khác, chẳng hạn như đồng hồ nguyên tử và cộng hưởng từ hạt nhân được sử dụng để quét MRI, cũng là sản phẩm của cuộc cách mạng lượng tử đầu tiên.
Một phát minh lượng tử nhìn thấy được và quan trọng khác là tia laser.
Vào những năm 1950, các nhà vật lý quang học biết rằng việc va chạm vào một số loại nguyên tử với một vài photon ở năng lượng thích hợp có thể khiến chúng phát ra nhiều photon hơn có cùng năng lượng và hướng với các photon ban đầu. Hiệu ứng này sẽ tạo ra một dòng các photon, tạo ra một chùm ánh sáng ổn định, thẳng không giống bất cứ thứ gì được thấy trong tự nhiên. Ngày nay, tia laser phổ biến khắp nơi, được sử dụng trong các ứng dụng từ con trỏ laser đến máy quét mã vạch đến các kỹ thuật y tế cứu người.
Tất cả những thiết bị này đã được tạo ra nhờ các nghiên cứu về thế giới lượng tử. Cả laser và bóng bán dẫn đều dựa trên sự hiểu biết về các mức năng lượng nguyên tử đã được lượng tử hóa. Milburn và Dowling cho rằng các công nghệ của cuộc cách mạng lượng tử đầu tiên được thống nhất bởi “ý tưởng rằng các hạt vật chất đôi khi hoạt động như sóng, và sóng ánh sáng đôi khi hoạt động như hạt”.
Lần đầu tiên, các nhà khoa học sử dụng hiểu biết của họ về cơ học lượng tử để tạo ra các công cụ mới có thể được sử dụng trong thế giới cổ điển.
Cuộc cách mạng lượng tử thứ hai
Nhiều sự phát triển trong số này đã được mô tả cho công chúng mà không cần dùng đến từ “lượng tử” như video Bell Labs này về các thử nghiệm laser.
Một lý do cho sự ngắt kết nối là cuộc cách mạng lượng tử đầu tiên không sử dụng đầy đủ cơ học lượng tử. “Hệ thống quá ồn. Theo một nghĩa nào đó, sự phong phú đầy đủ của cơ học lượng tử không thực sự dễ tiếp cận,” Ivan Deutsch, nhà vật lý lượng tử tại Đại học New Mexico, nói. “Bạn có thể hoàn thành với một bức tranh khá cổ điển.”
Giai đoạn cho cuộc cách mạng lượng tử thứ hai được thiết lập vào những năm 1960, khi nhà vật lý người Bắc Ireland John Stewart Bell làm lung lay nền tảng của cơ học lượng tử. Bell đề xuất rằng các hạt vướng víu có tương quan theo những cách lượng tử kỳ lạ và không thể giải thích được bằng cái gọi là “các biến ẩn”. Các thử nghiệm được thực hiện trong những năm 70 và 80 đã xác nhận rằng việc đo một hạt vướng víu thực sự có thể xác định trạng thái của hạt kia, nhanh hơn bất kỳ tín hiệu nào có thể truyền giữa hai hạt.
Thành phần quan trọng khác cho cuộc cách mạng lượng tử lần thứ hai là lý thuyết thông tin, một sự pha trộn giữa toán học và khoa học máy tính được phát triển bởi những người tiên phong như Claude Shannon và Alan Turing. Năm 1994, việc kết hợp cái nhìn sâu sắc mới về nền tảng của cơ học lượng tử với lý thuyết thông tin đã khiến nhà toán học Peter Shor giới thiệu một thuật toán bao thanh toán nhanh cho một máy tính lượng tử, một máy tính có các bit tồn tại ở dạng chồng chất và có thể bị vướng vào nhau.
Thuật toán của Shor được thiết kế để nhanh chóng chia các số lớn thành các thừa số nguyên tố của chúng. Sử dụng thuật toán, một máy tính lượng tử có thể giải quyết vấn đề hiệu quả hơn nhiều so với một máy tính cổ điển. Đó là minh chứng ban đầu rõ ràng nhất về giá trị của điện toán lượng tử.
Deutsch nói: “Nó thực sự tạo nên toàn bộ ý tưởng về thông tin lượng tử, một khái niệm mới mà những người trong chúng tôi đang làm việc trong các lĩnh vực liên quan đều đánh giá cao. “Thuật toán của Shor gợi ý những khả năng mà công nghệ lượng tử mới có thể có so với công nghệ cổ điển hiện có, thúc đẩy nghiên cứu trên diện rộng”.
Thuật toán của Shor được quan tâm đặc biệt trong mã hóa bởi vì khó khăn trong việc xác định các thừa số nguyên tố của các số lớn chính là thứ giữ cho dữ liệu trực tuyến riêng tư. Để mở khóa thông tin được mã hóa, một máy tính phải biết các thừa số nguyên tố của một số lớn liên quan đến nó. Sử dụng một số đủ lớn và câu đố đoán các thừa số nguyên tố của nó có thể mất hàng nghìn năm trong một máy tính cổ điển. Với thuật toán của Shor, trò chơi đoán có thể chỉ diễn ra trong giây lát.
Máy tính lượng tử ngày nay vẫn chưa đủ tiên tiến để thực hiện thuật toán Shor. Nhưng như Deutsch chỉ ra, những người hoài nghi đã từng nghi ngờ một máy tính lượng tử thậm chí có thể thực hiện được.
“Bởi vì có một sự đánh đổi,” anh nói. “Loại gia tăng sức mạnh tính toán theo cấp số nhân có thể đến từ các chồng chất lượng tử sẽ bị chống lại một cách chính xác, bằng độ nhạy theo cấp số nhân đối với tiếng ồn.”
Trong khi các phát minh như bóng bán dẫn đòi hỏi kiến thức về cơ học lượng tử, bản thân thiết bị này không ở trạng thái lượng tử tinh vi, vì vậy nó có thể được mô tả theo kiểu bán cổ điển. Mặt khác, máy tính lượng tử đòi hỏi các kết nối lượng tử tinh vi.
Điều đã thay đổi là việc Shor giới thiệu mã sửa lỗi. Bằng cách kết hợp các khái niệm từ lý thuyết thông tin cổ điển với cơ học lượng tử, Shor đã chỉ ra rằng, về mặt lý thuyết, ngay cả trạng thái tinh vi của một máy tính lượng tử cũng có thể được bảo toàn.
Ngoài tính toán lượng tử, cuộc cách mạng lượng tử thứ hai cũng dựa trên và bao gồm những cách thức sử dụng công nghệ mới để điều khiển vật chất ở cấp độ lượng tử.
Bằng cách sử dụng tia laser, các nhà nghiên cứu đã học cách tiêu hao năng lượng của các nguyên tử và làm lạnh chúng. Giống như một cầu thủ bóng đá đang rê bóng trên sân bằng một loạt cú chạm, tia laze có thể làm lạnh các nguyên tử đến phần tỷ độ trên độ không tuyệt đối – lạnh hơn nhiều so với các kỹ thuật làm mát thông thường. Năm 1995, các nhà khoa học sử dụng phương pháp làm lạnh bằng laser để quan sát trạng thái vật chất được dự đoán từ lâu: chất ngưng tụ Bose-Einstein.
Các kỹ thuật quang học lượng tử khác đã được phát triển để thực hiện các phép đo siêu chính xác.
Giao thoa kế cổ điển, giống như loại được sử dụng trong thí nghiệm Michelson-Morley nổi tiếng để đo tốc độ ánh sáng theo các hướng khác nhau để tìm kiếm các dấu hiệu của một aether giả thuyết, đã xem xét hình thức giao thoa của ánh sáng. Các giao thoa kế sóng vật chất mới khai thác nguyên tắc rằng mọi thứ – không chỉ ánh sáng – đều có chức năng sóng. Việc đo những thay đổi trong pha của nguyên tử, có bước sóng ngắn hơn nhiều so với ánh sáng, có thể mang lại sự kiểm soát chưa từng có đối với các thí nghiệm cố gắng đo lường các tác động nhỏ nhất, như tác động của lực hấp dẫn.
Với các phòng thí nghiệm và các công ty trên khắp thế giới tập trung vào những tiến bộ trong khoa học lượng tử và các ứng dụng, cuộc cách mạng lượng tử thứ hai mới chỉ bắt đầu. Như Bardeen đã đưa nó vào bài giảng Nobel của mình, chúng ta có thể ở một “thời điểm đặc biệt thích hợp … để thêm một bước nhỏ nữa trong việc kiểm soát thiên nhiên vì lợi ích của [hu] nhân loại.”
Theo: Symmetrymagazine.
