Đột phá trong vật lý lượng tử: Chuyển thông tin tức thời

Thông tin mã hóa được chuyển tức thời từ nơi này đến nơi khác mà không cần đến một dòng chuyển động nào của các hạt cơ bản. Thí nghiệm chuyển ánh sáng tức thời tại ANU (Đại học Quốc gia Australia) đang gây chấn động thế giới, vì nó có thể mở ra một thời đại thông tin mới. Nhà vật lý Australia gốc Trung Quốc Ping Koy Lam cùng cộng sự tại Đại học Quốc gia Australia ở Canberra (ANU) vừa thực hiện thành công thí nghiệm chuyển thông tin theo nguyên lý hoàn toàn mới dựa trên “tương tác ma quỷ” của các quang tử (photon).

Đúng vào lúc một chùm laser chứa những dữ liệu thông tin nhất định bị hủy tại một vị trí trong phòng thí nghiệm, thì nhóm của Lam đã tạo ra một chùm laser khác giống hệt như thế tại một vị trí khác cách vị trí ban đầu 1 mét. Mặc dù chùm sáng không hề chuyển động từ điểm này đến điểm kia nhưng vì hai chùm sáng giống hệt nhau nên người quan sát có cảm tưởng rằng, chùm sáng đã được di chuyển tức thời từ điểm này đến điểm kia (giống như trong truyện Tây Du Ký, Tề Thiên Đại Thánh dùng phép biến hình và hiện hình để cùng một lúc biến mất khỏi trần gian và xuất hiện trên thiên đình).

Các nhà khoa học gọi kỹ thuật này là sự “chuyên chở tức thời qua không gian xa cách” (teleportation), một khái niệm xưa nay chỉ có trong truyện thần thoại hoặc khoa học viễn tưởng. Nhưng thí nghiệm của ANU lần đầu tiên đã biến thần thoại thành hiện thực. Vì hai chùm sáng giống hệt nhau, tức là thông tin chứa trong chúng như nhau, nên kết quả thí nghiệm cho thấy: Thông tin đã được chuyển tức thời qua không gian mà không cần đến một dòng chuyển động nào của các hạt cơ bản. Đây là nguyên lý truyền thông tin hoàn toàn mới.

Thật vậy, trong liên mạng computer điện tử và trong sợi cáp quang hiện nay, thông tin hoặc được chuyển qua các mạch điện tử (tức là nhờ dòng chuyển động của electron), hoặc được truyền trong sợi cáp quang (tức là dòng chuyển động của các photon). Hai dạng truyền thông tin này, mặc dù đã rất nhanh, nhưng đều không thể so sánh được với tốc độ truyền tin tức thời trong thí nghiệm của ANU. Nguyên lý truyền tin này có hai ưu điểm vượt trội: tốc độ siêu nhanh và siêu an toàn (rất khó giải mã ngay cả trong trường hợp thông tin bị đánh cắp). Vì thế, thí nghiệm của ANU đang gây nên một chấn động trong giới khoa học, như tiếng chuông báo hiệu một thời đại thông tin mới sắp ra đời.

Thực ra, không phải các nhà khoa học Australia đã khám phá ra một nguyên lý hoàn toàn mới. Họ chỉ khai thác một hiện tượng vật lý đã được biết đến từ lâu, đó là hiện tượng “vướng lượng tử”, hoặc “rối lượng tử” (quantum entanglement), trong đó hai quang tử (photon) được tạo ra cùng lúc có liên hệ rất kỳ lạ với nhau. Thật vậy, nếu hai photon được tạo ra đồng thời và được đặt ở hai vị trí khác nhau, chúng sẽ không tồn tại một cách biệt lập riêng rẽ, mà ngược lại, luôn có mối ràng buộc chặt chẽ với nhau – trạng thái của photon này quyết định trạng thái của photon kia. Nếu ta buộc photon này tuân theo một trạng thái lượng tử nào đó, thì photon kia cũng lập tức có ngay một trạng thái lượng tử tương ứng. Nói cách khác, nếu biết trạng thái của photon này, thì lập tức ta sẽ biết trạng thái của photon kia. Điều đó có nghĩa là, giữa hai photon tồn tại một quan hệ tương tác nào đó. Tương tác này không phải là một trong 4 tương tác đã biết (hấp dẫn, điện từ, hạt nhân yếu, hạt nhân mạnh). Vậy nó là tương tác gì ? Đến nay, vẫn chưa ai đưa ra được một khái niệm chính xác. Albert Einstein từng gọi đó là “tương tác ma quái” (spooky interaction). Tờ Guardian của Anh số ra ngày 18/6/2002 bình luận: “Hiện tượng này còn bí hiểm hơn cả chính sự tồn tại của vũ trụ”. Đa số các nhà vật lý hiện nay “đành” giải thích điều bí hiểm này như một biểu hiện của thế giới lượng tử mà nguyên lý bất định của Heisenberg đã chỉ rõ.

Bạn có thể hình dung ra nguyên lý bất định này trong ví dụ sau: Giả sử, nếu biết lực tác dụng vào quả bóng trong cú sút phạt của Ronaldinho trong trận Brazil – Anh vừa qua ở World Cup, thì cơ học Newton có thể giúp thủ môn Seaman tính chính xác quả bóng đó sẽ bay ra sao và sẽ rơi vào đâu. Đó là vì trong thế giới vĩ mô, quan hệ nhân – quả là chìa khóa giúp giải thích rõ ràng mọi hiện tượng. Nhưng trong thế giới của các “quả bóng vi mô” (thế giới của các hạt hạ nguyên tử) thì quan hệ nhân – quả hoàn toàn sụp đổ. Các hạt cơ bản hoàn toàn bất định. Tính chất này biểu hiện theo nhiều cách khác nhau, một trong những biểu hiện đó chính là hiện tượng “vướng lượng tử”: Một hạt cơ bản có thể cùng một lúc tồn tại ở hai vị trí khác nhau mà giác quan thông thường của chúng ta coi là hai hạt khác nhau.

Những năm gần đây đang dấy lên một làn sóng vật lý đi tìm những biểu hiện bất định của các hạt cơ bản. Năm 1995, một nhóm vật lý ở Colorado đã làm lạnh vật chất xuống tới -273 độ C (gần 0 độ tuyệt đối), trong điều kiện đó các nguyên tử “ứng xử” giống hệt nhau và tạo thành một “đại nguyên tử”. Năm 2001, một nhà vật lý Đan Mạch đã làm chậm ánh sáng đến mức như đứng lại, giữ được nó trong một khoảnh khắc, rồi lại “thả” nó ra để cho nó trở lại chuyển động với tốc độ ánh sáng. Nhưng kỳ quái nhất vẫn là hiện tượng “bất định vị” (nonlocality) của các hạt hạ nguyên tử, tức hiện tượng một hạt có thể xuất hiện cùng một lúc ở hai vị trí khác nhau nói trên. Một bộ óc kỳ lạ như Einstein cũng đành phải mô tả nó như là “tác động ma quỷ từ xa” (ghostly action at a distance), thay vì đưa ra một giải thích theo một công thức toán học nhân – quả.

Ping Koy Lam (trái)

Nhưng nhờ thái độ chấp nhận “tương tác ma quỷ” như là một biểu hiện của nguyên lý bất định nên các nhà vật lý đã hướng mục tiêu nghiên cứu vào ứng dụng tương tác đó. Người đi tiên phong theo hướng này là giáo sư Athon Zeilinger (Áo). Năm 1997, lần đầu tiên ông đã nêu lên ý kiến cho rằng do tính chất đồng thời tồn tại tại nhiều vị trí khác nhau nên các hạt ánh sáng có thể được “vận chuyển tức thời” qua những khoảng cách lớn trong không gian. Ngay lập tức 40 phòng thí nghiệm trên thế giới đã bắt tay vào nghiên cứu nhằm biến ý tưởng của Zeilinger thành hiện thực. Thí nghiệm của ANU là một trong số đó, và đây là lần đầu tiên thực hiện được việc chuyển thông tin tức thời qua khoảng cách không gian 1 m, trong đó hai chùm sáng laser thực chất chỉ là một, nhưng đồng thời tồn tại ở hai vị trí khác nhau!

Tiến sĩ Lam nói: “Về lý thuyết, không có gì ngăn trở con người di chuyển tức thời trong không gian, nhưng vào thời điểm hiện nay, đó vẫn là chuyện viễn tưởng. Tuy nhiên trong tương lai không xa, việc vận chuyển tức thời một vật rắn có thể trở thành hiện thực. Tôi dự đoán trong vòng từ 3 đến 5 năm nữa khoa học sẽ có thể vận chuyển tức thời một nguyên tử”.

Phạm Việt Hưng (từ Sydney)

(Bài đã đăng trên các trang mạng:

http://vnexpress.net/GL/Khoa-hoc/2002/07/3B9BDB1A/
http://antoanthongtin.vn/showthread.php?p=760

Đọc thêm 1:

The super-fast future of computing

BBC News Online, Monday, 14 June 2004, 15:58 GMT 16:58 UK http://news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/3774369.stm

Jo Twist

One of the scientists who helped pioneer Star Trek-style teleporting in a ground-breaking experiment says he hopes we will see a ultra-fast quantum computer in action by 2035.

“The Moore’s Law for computer technology states that in every 18 months, there will be a doubling of computer memory, speed and other performances,” Dr Ping Koy Lam explained to BBC News Online.

“In a few years’ time, this law will have to confront quantum theory when transistors are shrunk to the size of a few atoms.”

He is talking about a very small science, at the sub-atomic and atomic scale, but physicists and technologists have very big ideas about it for the very long term.

Australian physicist Dr Lam, and fellow Australia National University (ANU) colleague Warwick Bowen, made their breakthrough with a beam of light in June 2002.

In their experiment, they perfected the procedure of destroying a beam of light and successfully putting it back together a metre away.

It was achieved because of a process called “entanglement”, whereby two particles – in this case photons of light – have related properties even when they are far apart.

A 1998 experiment at the California Institute of Technology had already shown that this should be possible, and since then over 40 laboratories had been racing to teleport a beam.

Physics ahead

For their breakthrough, Dr Lam and Mr Bowden won global recognition and the first British Council Eureka Prize for Inspiring Science.

Part of their prize was a trip to the UK – they were not beamed over, but flown over – to share their quantum secrets with other physicists.

“Our experiment alone would not have amounted to anything to an ordinary person,” Dr Lam explained modestly.

“However, there is a collective international effort in the area of quantum information.”

Physics, in Dr Lam’s view, has always been decades if not centuries ahead of possible applications in the engineering world.

When electricity was discovered, it was a novelty to many, and it was not until several decades after the invention of laser technology that its potential was realised.

“Quantum physics, although formulated in the 1920s, and although being one of the most successful theories, still has relatively few applications.

“That is why many physicists believe that the quantum revolution is imminent.”

In the long run, quantum physics can be exploited for several applications, Dr Lam explained, from ultra-sensitive sensor technology to computing and communication.

Essentially, what it means for computing and communication is that the transfer of data would be extremely fast – potentially trillions of times faster – and secure, using encryption techniques that are unbreakable.

Security excitement

Government and military organisations around the world are already getting excited about the possibilities because the security of communication is guaranteed by the laws of physics.

Quantum cryptography scrambles data in a different way to conventional cryptography, because the information about security keys is encoded on to a single photon of light.

“Quantum cryptography is already in use,” said Dr Lam. “Its popularity at the moment is very modest. However, I believe this will change in the next few years.

“We can prove that, if done right, it is absolutely secure against eavesdroppers. A ‘disembodied’ transmission of information is therefore a good starting point for crypto-communication.”

For the past year, Dr Lam and his ANU Quantum Optics Group have used the same teleportation experiment to develop a communication protocol called “secret sharing”.

The protocol would have huge benefits for corporate, banking and military institutions where more than one authentification is needed to access top secret information.

“In this protocol, a dealer of information divides her message and sends it to multiple players.

“Individually, the players cannot retrieve any information. Only when a majority of them get together would the message be revealed.”

Sorry Scotty

As for other, wilder dreams of using quantum physics in order to beam yourself from A to B, the possibility is rather less exciting, and would disappoint Spock and Scotty.

“Quantum computation is still in its infancy. Teleportation so far is only restricted to the teleportation of information.”

So, the possibility of sending yourself instead of an e-mail to someone is limited. What is clear, however, is that the next 30 years will be an exciting and challenging time in the field, according to Dr Lam.

“Information technologists, mathematicians, engineers and physicists will have to do a complete re-think.

“But the reward will be orders of magnitude faster computation power.”

Đọc thêm 2:

Sharing Secrets Via Teleportation

http://www.spacedaily.com/news/physics-04m.html

Canberra (SPX) May 13, 2004

Spy networks and international financial systems are set to benefit from a significant advance in teleportation technology developed at The Australian National University.

ANU researchers in Canberra have announced that they are the first in the world to demonstrate the sharing of secrets via teleportation using quantum physics. The research has potential to significantly enhance the security of computer systems around the world.

The researchers provided a window on the future of telecommunications by demonstrating the production, disembodiment and successful reconstruction — or teleportation — of a message to a network of participants. The experiment was conducted by 24-year-old PhD student Andrew Lance and Dr Thomas Symul from the Quantum Optics Group in the ANU Faculty of Science, in collaboration with Professor Barry Sanders from the University of Calgary in Canada.

The research, published in the latest edition of Physical Review Letters, is expected to attract attention from defence and finance industries around the world. It builds on the teleportation work conducted by Dr Warwick Bowen and Dr Ping Koy Lam at the ANU in 2002, when they teleported information using a laser beam.

“This is a much more complex form of information teleportation in the sense that it involves multiple recipients,” Dr Lam said.

Acting ANU Vice-Chancellor Professor Lawrence Cram congratulated the team on their success.

“This research confirms that ANU and Australia are among the World’s leaders in teleportation research. It is also a fine example of the excellence achieved through The Australian National University’s unique research-driven education program,” Professor Cram said.

The researchers used crystals, lenses and mirrors to produce a pair of ‘entangled’ laser beams that are then used to carry fragile information in the form of quantum states. These quantum states cannot be measured or copied, making eavesdropping impossible. The transmission of the light beams constitutes a secret communication scheme with guaranteed security.

The process of secret sharing is a fundamental part of present day telecommunication, computer and banking practices. Such network communication can be enhanced using the laws of quantum physics to protect the information — a process called quantum state sharing.

“The benefit of this technology is that the encrypted message can only be decoded by a majority of recipients. For example, if an encrypted message was sent to a spy network containing 15 individuals, a minimum of eight agents would be needed to access the message — limiting the chances of the message being infiltrated or deleted by a double-agent,” Mr Lance said.

“The system could also have major applications as a fail-safe mechanism in operating systems for the new generation of super-fast quantum computers.”

Barry Sanders, iCORE Professor and Director of the newly launched Institute for Quantum Information Science at the University of Calgary, said; “Security is crucial for quantum networks that may someday deliver ultrafast solutions to certain computational problems and for communication that is impervious to eavesdroppers. Our experiment demonstrates that quantum networks can be protected from component failures and malice.”

There is currently a huge concentration of scientific effort to use quantum physics — a field in which researchers analyse the realms of the microscopic world where classical physics no longer applies — in order to create a new generation of technologies including information teleportation.

“Teleportation of information has potential to improve the efficiency and security of future quantum computing and communication networks,” Dr Symul said.

Advertisements

3 thoughts on “Đột phá trong vật lý lượng tử: Chuyển thông tin tức thời

  1. “Tương tác ma quỷ” liệu có phải là 1 cách sao y “ý thức” của các hạt Photon ? Hiện tại trên thế giới (Thậm chí ở Việt Nam), người ta đã có thể sao chép hành vi của một người bằng cách di chuyển thiết bị robot, sau đó truyền dữ liệu qua mạng viễn thông và khôi phục hành vi đó bằng một robot khác (http://www.khoahoc.com.vn/doisong/yhoc/suc-khoe/27959_Phau-thuat-tim-tu-xa.aspx), nói cách khác là áp đặt ý thức của một người lên một thiết bị.

    Trong điều khiển robot từ xa như ở trên, sẽ có 1 thời gian trễ nhất định nào đó trong quá trình xử lý và truyền dữ liệu điều khiển từ xa. Nhưng liệu trong “Tương tác ma quỷ”, hành vi giữa các Photon liệu có độ trễ hay ko? Tôi cho là “có” nhưng chỉ vì độ trễ này quá nhỏ nên các nhà khoa học chưa đủ khả năng phát hiện ra mà thôi.

    Trong bài viết này có đề cập đến chuyển vật chất từ xa, bao gồm cả chuyển một vật chất vô ý thức (như 1 viên đá, hàng hóa, …) và vật chất có ý thức (như con người). Theo tôi việc chuyển dịch này là hoàn toàn có thể thực hiện và có 2 cách để thực hiện:

    1. Sao y ý thức (Đối với vật chất có ý thức): Sao chép toàn bộ ý thức của một vật chất có ý thức và chuyển “ý thức” này đến địa điểm khác mà ta muốn khôi phục. Tôi cho rằng cách này là khả thi nhất và trên thực tế đã được hiện thực hóa ở các mức đơn giản như điều khiển robot từ xa, điều khiển máy tính bằng điện não, … hãy tưởng tượng chúng ta có thể sao chép ý thức trong bộ não của một người đang ở địa điểm A và “ghi” vào bộ não của một người khác (người thật hoặc robot) ở một địa điểm B, sau đó sao chép “ý thức” đó trở lại vào não của người ở địa điểm A thì người ở địa điểm A sẽ có được những trải nghiệm của người ở địa điểm B trong suốt thời gian ý thức được sao chép. Bài toán để hiện thực hóa ý tưởng lúc này đó là làm thế nào để sao chép và ghi ý thức??? (Hình như ý tưởng này đã có trong phim Avatar)

    2. Thay đổi dạng vật chất (Áp dụng cho cả Vật chất có ý thức và Vật chất vô ý thức): Trước khi chuyển vật chất đi xa dưới một dạng vật chất đặc biệt (Photon, nguyên tử, electron, …) mà tôi gọi là vật chất trung gian, chúng ta biến đổi vật chất cần chuyển đi thành vật chất trung gian kèm theo bộ mã (chứa các dữ liệu cơ bản về người, vật, ý thức…), sau đó chuyển vật chất trong gian này đi đến địa điểm cần đến, cuối cùng là khôi phục từ vật chất trung gian về lại dạng vật chất ban đầu dựa trên bộ mã (để đảm bảo tính toàn vẹn). Bài toán để hiện thực hóa ý tưởng lúc này đó là làm thế nào để thay đổi dạng vật chất và khôi phục lại đúng vật chất đó???

    Các cách trên tôi suy luận theo cách nghĩ của tôi, nhưng ngẫm nghĩ tôi thấy cũng hay nên muốn chia sẻ vì biết đâu nó đúng?!

    Trong tương lai, việc dịch chuyển tức thời chắc chắn sẽ thực hiện được. Nhưng trước tiên theo tôi con người cần hiểu thêm về cấu tạo vật chất, nguyên tử, bản chất của sự sống, …

    Số lượt thích

  2. Xin được phép hỏi là :
    Người ta đã thử thực nghiệm với trên 2 hạt Photon chưa, vì nếu chỉ thực nghiệm với 2 photon trong cùng 1 thời điểm, ta khó có thể khẳng định 2 hạt này có phải đồng nhất, hay do cùng thuộc tính nên mới gây ra hiện tượng đó.
    Ta giả sử có 1 thực nghiệm với 3 hoặc nếu có thể, là n hạt photon, thì ta có thể hình dung ra 2 kết quả như sau :
    TH1 : Nếu hiện tượng trên, tức ” tương tác ma quỷ ” vẫn diễn ra : tức cùng 1 lúc (hoặc giả có độ trễ nhất định), thì thông qua n hạt, ta có thể phân đinh đc chúng có hay ko có độ trễ, điều này giúp ta rút ra kết luận :hạt photon mang tính chất đồng nhất hay mang tính tự sao chép thông tin qua 1 chiều không gian khác (hoặc 1 phương thức nào khác).
    TH2 : Nếu hạt photon thứ 3 trở đi đến hạt n không hiển thị cùng thông tin như hạt số 1 và 2 : Ta có thể kết luận rằng hạt photon thứ 2 không sao chép thông tin từ hạt số 1, mà nó có cùng tính chất, khi đó vấn đề đặt ra sẽ là : tại sao hạt photon thứ nhất lại có bản sao song song cùng tính chất với nó là hạt thứ 2, và nguyên tắc nào khiến cho nó xuất hiện ngay lập tức khi có luồng laser thứ 2 mà ko phải thứ 3 hay thứ n nào đó.

    Đây là những suy nghĩ của tôi, có thể là khá ấu trĩ khi tôi thực sự ko phải người nghiên cứu vật lý lượng tử ( tôi chỉ đang mầy mò và muốn được học 1 cách có căn bản), tôi cũng rất muốn theo học 1 ngành nào đó có liên quan vật lý lượng tử.

    Số lượt thích

Trả lời

Mời bạn điền thông tin vào ô dưới đây hoặc kích vào một biểu tượng để đăng nhập:

WordPress.com Logo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản WordPress.com Đăng xuất / Thay đổi )

Twitter picture

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Twitter Đăng xuất / Thay đổi )

Facebook photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Facebook Đăng xuất / Thay đổi )

Google+ photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Google+ Đăng xuất / Thay đổi )

Connecting to %s