Thật tuyệt vời khi chúng ta gặp phải các nghịch lý. Giờ đây, chúng ta có chút hy vọng tạo được tiến triển.

— NIELS BOHR

Tôi không thể thay đổi các định luật vật lý, thưa chỉ huy!

— SCOTTY, KỸ SƯ TRƯỞNG TRONG STAR TREK

Viễn tải, hay khả năng dịch chuyển tức thời con người hoặc vật thể từ nơi này đến nơi khác, là công nghệ có thể làm thay đổi tiến trình của nền văn minh và vận mệnh các quốc gia. Nó cũng có thể thay đổi vĩnh viễn quy luật của chiến tranh: quân đội có thể viễn tải binh lính ra phía sau phòng tuyến địch hoặc đơn giản hơn là viễn tải rồi bắt giữ chỉ huy của đối phương. Các hệ thống vận tải hiện hành, từ tàu thuyền đến máy bay hay tàu điện và toàn bộ nền công nghiệp phụ trợ cho chúng sẽ trở nên lỗi thời; chúng ta chỉ cần dịch chuyển tức thời đến nơi làm việc hay viễn tải hàng hóa tới các siêu thị. Chúng ta cũng sẽ không cần phải chật vật di chuyển trong các kỳ nghỉ vì có thể dịch chuyển tới nơi ngay tức thời. Viễn tải sẽ thay đổi mọi thứ.

Những đề cập sớm nhất về viễn tải được tìm thấy trong các văn bản tôn giáo như Kinh Thánh, mô tả việc thần khí mang các thánh nhân đi nhanh như chớp. Trích đoạn dưới đây trong Sách Công Vụ Tông Đồ của Kinh Tân Ước hàm ý việc viễn tải ông Philip từ Gaza đến Azotus: “Khi hai ông lên khỏi mặt nước, Thần khí Chúa đem ông Philip đi mất, và viên thái giám không còn thấy ông nữa. Nhưng viên quan vẫn tiếp tục cuộc hành trình, lòng đầy hoan hỉ. Còn ông Philip thì người ta gặp thấy ở Azotus. Ông loan báo Tin Mừng cho mọi thành thị ông đi qua, đến tận Caesarea” (Sách Công Vụ Tông Đồ 8:36 — 40).

Viễn tải cũng là một mánh lới của các nhà ảo thuật: lôi thỏ ra khỏi chiếc mũ, lấy các lá bài từ trong ống tay áo hay những đồng xu từ phía sau vành tai. Một màn ảo thuật tham vọng hơn là làm biến mất cả một con voi trước ánh mắt ngỡ ngàng của khán giả. Khi trình diễn, người ta đặt một con voi nhiều tấn trong một cái lồng. Sau đó, nhà ảo thuật chỉ cần phất nhẹ chiếc gậy là con voi bỗng biến mất, khiến khán giả vô cùng kinh ngạc. (Dĩ nhiên, con voi không thật sự biến mất. Người ta sử dụng các tấm gương để làm thủ thuật này. Những tấm gương dài và mảnh được đặt thẳng đứng ngay phía sau các thanh chắn của cái lồng và có thể quay giống như một cánh cửa. Khi buổi trình diễn bắt đầu, tất cả các tấm gương đều nằm ngay phía sau các thanh chắn, do đó khán giả không thể nhìn thấy chúng mà chỉ thấy con voi. Nhưng khi chúng được quay đi 45 độ hướng về phía khán giả, con voi sẽ biến mất và người xem chỉ thấy những hình ảnh phản chiếu ở bên cạnh lồng.)

Trong khoa học viễn tưởng, sự viễn tải được nhắc đến lần đầu tiên trong truyện The Man Without a Body (Người đàn ông không có cơ thể) của Page Mitchell, xuất bản năm 1877. Truyện kể rằng một nhà khoa học nắm được cách tách rời các nguyên tử của một con mèo và truyền chúng qua đường dây điện tín. Nhưng thật không may, nguồn điện bị hỏng khi nhà khoa học này đang cố gắng viễn tải chính mình, thế là chỉ có đầu của ông được viễn tải thành công.

Arthur Conan Doyle, nổi tiếng qua loạt truyện trinh thám Sherlock Holmes, cũng bị ý tưởng viễn tải mê hoặc. Sau nhiều năm viết tiểu thuyết trinh thám và truyện ngắn, ông bắt đầu cảm thấy mệt mỏi với Sherlock Holmes nên quyết định “giết” nhân vật này bằng cách để cả Holmes và kẻ thù không đội trời chung là giáo sư Moriarty rơi xuống thác nước. Nhưng sự phản đối kịch liệt từ độc giả buộc ông phải hồi sinh vị thám tử. Vì không thể giết Sherlock Holmes nên Doyle quyết định tạo ra một loạt truyện hoàn toàn mới với nhân vật chính là giáo sư Challenger, trái ngược hoàn toàn với Holmes. Cả hai đều nhanh trí và sắc sảo trong việc khám phá các bí ẩn. Nhưng nếu như Holmes sử dụng những lập luận logic đầy lạnh lùng để tháo gỡ các vụ án khó khăn thì giáo sư Challenger lại thích khám phá thế giới bí ẩn của các hiện tượng tâm linh và siêu nhiên, gồm cả viễn tải. Trong tiểu thuyết The Disintegration Machine (Cỗ máy nghiền) xuất bản năm 1927, giáo sư chạm trán với một quý ông đã phát minh ra cỗ máy có thể nghiền nát một người rồi sau đó lắp ráp anh ta lại ở một nơi khác. Nhưng giáo sư Challenger cảm thấy khiếp sợ khi nghe nhà phát minh khoe khoang rằng sáng chế này của ông, nếu lọt vào tay kẻ xấu, có thể dùng để nghiền nát cả thành phố hàng triệu người chỉ với một cái nút bấm. Sau đó, giáo sư Challenger đã áp dụng cỗ máy này với chính nhà phát minh rồi rời phóng thí nghiệm mà không lắp ráp anh ta trở lại.

Gần đây hơn, Hollywood bắt đầu quan tâm đến sự viễn tải. Bộ phim The Fly (Người ruồi) sản xuất năm 1958 đã kiểm nghiệm một cách sinh động về điều sẽ xảy ra khi việc viễn tải chệch xa khỏi kết quả mong muốn. Khi một nhà khoa học viễn tải chính mình ngang qua một căn phòng, các nguyên tử tạo thành cơ thể ông trộn lẫn với các nguyên tử của một con ruồi vô tình rơi vào ống viễn tải. Vì vậy, nhà khoa học bị biến thành một quái vật dị hợm nửa người nửa ruồi. (Bộ phim làm lại của Jeff Goldblum được công chiếu vào năm 1986).

Lần đầu tiên viễn tải giành được sự chú ý của công chúng là qua loạt phim Star Trek. Gene Roddenberry, cha đẻ của loạt phim, đã đưa viễn tải vào phim vì ngân sách của hãng Paramount không cho phép thực hiện các hiệu ứng đặc biệt quá tốn kém, mặc dù chúng là cần thiết để mô phỏng quá trình các tàu phản lực cất cánh và hạ cánh xuống các hành tinh xa xôi. Sẽ ít tốn kém hơn nếu chỉ đơn giản là đưa phi hành đoàn của tàu Enterprise đến nơi cần đến.

Các nhà khoa học ngày càng phản đối khả năng viễn tải. Để viễn tải ai đó, ta phải biết chính xác vị trí của mọi nguyên tử trong cơ thể họ, nhưng điều này lại vi phạm nguyên lý bất định Heisenberg (theo đó ta không thể xác định đồng thời vị trí và vận tốc của một electron). Để nhượng bộ, các nhà sản xuất Star Trek đã giới thiệu “cơ cấu bù trừ Heisenberg” bên trong phòng vận chuyển, như thể người ta có thể bổ sung cho các định luật của vật lý lượng tử bằng cách gắn thêm bộ phận cải tiến cho thiết bị vận chuyển vậy. Nhưng hóa ra, tạo ra những cơ cấu bù trừ như vậy lại hơi vội vàng. Những nhà khoa học và nhà phê bình trước đây có lẽ đã sai.

VIỄN TẢI VÀ LÝ THUYẾT LƯỢNG TỬ

Theo thuyết Newton, viễn tải rõ ràng là bất khả thi. Các định luật của Newton dựa trên ý tưởng rằng vật chất được cấu thành từ các quả cầu nhỏ và rắn chắc. Các vật không thể dịch chuyển cho đến khi được tác dụng lực; chúng không bỗng dưng biến mất và đột nhiên xuất hiện ở nơi khác.

Nhưng trong lý thuyết lượng tử, đó lại chính là những điều mà các hạt thực hiện. Thống trị suốt 250 năm là vậy nhưng cuối cùng các định luật Newton cũng bị lật đổ vào năm 1925, khi Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger và các đồng nghiệp phát triển lý thuyết lượng tử. Khi phân tích những tính chất kỳ lạ của các nguyên tử, các nhà vật lý phát hiện ra electron hoạt động giống như sóng và có thể thực hiện những bước nhảy lượng tử khi chuyển động hỗn loạn bên trong nguyên tử.

Người nghiên cứu sâu nhất về các sóng lượng tử có lẽ là Erwin Schrödinger, phương trình sóng nổi tiếng do nhà vật lý người Áo này viết nên và được đặt theo tên ông. Đây là một trong những phương trình quan trọng nhất của vật lý và hóa học. Nhiều khóa học ở bậc cao học được dành trọn để giải phương trình này, và các thư viện vật lý đầy những cuốn sách được viết ra để kiểm chứng các hệ quả của nó. Về mặt nguyên tắc, toàn bộ ngành hóa học có thể được rút ra từ việc giải phương trình Schrödinger.

Năm 1905, Einstein đã chứng tỏ sóng ánh sáng có tính chất giống như hạt, mô tả chúng như những gói năng lượng với tên gọi photon. Đến những năm 1920, Schrödinger dần nhận ra điều ngược lại cũng đúng: các hạt như electron có thể hoạt động giống như sóng. Ý tưởng này được nhà vật lý người Pháp Louis de Broglie chỉ ra đầu tiên và đã giúp ông giành giải Nobel. (Chúng ta vẫn minh họa điều này cho sinh viên ở trường bằng cách kích hoạt các electron trong ống tia âm cực, giống như những ống thường thấy ở tivi. Các electron đi qua một lỗ nhỏ, nên ta cứ tưởng chúng sẽ tạo thành một chấm nhỏ tại nơi các electron va chạm vào màn hình tivi. Nhưng thực chất ta sẽ nhìn thấy những vòng tròn đồng tâm, giống như khi có sóng truyền qua một lỗ nhỏ, chứ không nhìn thấy hạt).

Một hôm, Schrödinger trình bày bài giảng về hiện tượng lạ lùng này. Bạn thân của ông, nhà vật lý Peter Debye, đưa ra thách thức: Nếu electron được mô tả bởi sóng, thì phương trình sóng của chúng là gì?

Kể từ khi Newton tạo ra phép giải tích, các nhà vật lý đều dùng các phương trình vi phân để miêu tả sóng, vì vậy Schrödinger coi câu hỏi của Debye là thách thức để quyết tâm viết nên phương trình vi phân cho các sóng electron. Sau một kỳ nghỉ trong tháng đó, Schrödinger đã có được phương trình này. Tương tự như khi Maxwell sử dụng các trường lực của Faraday để rút ra hệ phương trình Maxwell cho ánh sáng, Schrödinger dựa trên ý tưởng lưỡng tính sóng-hạt của de Broglie và xây dựng nên phương trình Schrödinger cho các electron.

(Các sử gia khoa học đã khá vất vả lần theo chính xác những gì Schrödinger đã làm khi ông khám phá ra phương trình nổi tiếng làm thay đổi mãi mãi quang cảnh của nền vật lý và hóa học hiện đại. Schrödinger là người theo chủ nghĩa tự do yêu đương và thường đi nghỉ với vợ hoặc các tình nhân. Thâm chí, ông còn có một cuốn nhật ký ghi chép chi tiết về tất cả những người tình với nhiều mật mã phức tạp dành riêng cho mỗi cuộc gặp gỡ. Các sử gia hiện nay tin rằng ông đã ở biệt thự Herwig trên dãy Alps cùng bạn gái vào dịp cuối tuần mà ông khám phá ra phương trình sóng).

Khi Schrödinger bắt đầu giải phương trình của mình cho nguyên tử hiđrô, ông kinh ngạc tìm thấy các mức năng lượng chính xác của nguyên tử hiđrô mà các nhà vật lý đi trước đã liệt kê cẩn thận. Sau đó, ông nhận ra bức tranh trước đây của Niels Bohr về nguyên tử với các electron bay vèo vèo quanh hạt nhân thật sự đã sai (mẫu nguyên tử này của Bohr ngày nay vẫn được dùng trong sách và trong cả những quảng cáo nhằm cố gắng biểu trưng cho khoa học hiện đại). Những quỹ đạo này lẽ ra phải được thay thế bằng các sóng bao quanh hạt nhân.

Công trình của Schrödinger đã tạo ra làn sóng xung kích lan khắp cộng đồng vật lý. Bỗng nhiên, họ có thể nhìn sâu vào bên trong nguyên tử để kiểm tra chi tiết các sóng tạo nên lớp vỏ electron của nó và tiên đoán chính xác về các mức năng lượng phù hợp hoàn hảo với các dữ kiện thực nghiệm.

Nhưng vẫn còn một câu hỏi gây bối rối cho các nhà vật lý đến tận ngày nay. Nếu electron được mô tả bởi một sóng, thì cái gì dao động để tạo ra sóng này? Nhà vật lý Max Born, đã đưa ra câu trả lời cho rằng những sóng này thực ra là các sóng xác suất. Chúng cho ta biết cơ hội tìm thấy một electron xác định tại một vị trí nào đó ở thời điểm bất kỳ. Nói cách khác, electron là một hạt, nhưng xác suất để tìm thấy nó phụ thuộc vào sóng Schrödinger. Sóng tại một điểm càng lớn thì cơ hội tìm thấy hạt tại điểm đó càng cao.

Với những phát hiện vừa nêu, bỗng nhiên cơ hội và xác suất được đưa thẳng vào trung tâm của nền vật lý, là lĩnh vực trước đó đã giúp chúng ta tiên đoán chính xác và mô tả chi tiết quỹ đạo chuyển động của các hạt, từ các hành tinh đến sao chổi và cả đạn pháo.

Sự bất định này cuối cùng cũng được Heisenberg khẳng định khi ông đưa ra nguyên lý bất định, phát biểu rằng ta không thể biết chính xác vận tốc và vị trí của electron tại cùng một thời điểm. Ta không thể cùng lúc biết chính xác năng lượng của nó trong một khoảng thời gian đo xác định, ở thang lượng tử, tất cả các định luật cơ bản theo nghĩa thông thường đều bị vi phạm: các electron có thể biến mất rồi xuất hiện lại ở chỗ khác, chúng cũng có thể đồng thời tồn tại ở nhiều nơi.

(Mỉa mai thay, Einstein, “bố già” của lý thuyết lượng tử, người góp phần khởi đầu cuộc cách mạng vào năm 1905, và Schrödinger, người xây dựng phương trình sóng, đều cảm thấy khó chịu khi khái niệm xác suất được đưa vào vật lý cơ bản. Einstein viết: “Cơ học lượng tử cần nhiều sự tôn trọng. Nhưng trong thâm tâm, tôi nghĩ rằng đây không phải là Jacob[1] thực sự. Lý thuyết này đã làm được nhiều thứ, nhưng nó hầu như không đưa chúng ta đến gần hơn với bí mật của Chúa. Ít nhất là trên quan điểm cá nhân, tôi tin rằng Chúa không chơi xúc xắc.”)

Lý thuyết của Heisenberg quá mới lạ và gây nhiều tranh cãi, nhưng nó hiệu quả. Chỉ trong chớp mắt, các nhà vật lý đã có thể giải thích một lượng lớn các hiện tượng bí ẩn, bao gồm cả các định luật hóa học. Để gây ấn tượng cho nghiên cứu sinh của mình về sự khác thường của lý thuyết lượng tử, tôi thường yêu cầu họ tính xác suất để các nguyên tử trong cơ thể bỗng nhiên tan rã và xuất hiện trở lại ở phía bên kia một bức tường. Một sự kiện viễn tải như vậy là bất khả thi đối với vật lý Newton nhưng chúng thực sự khả thi với cơ học lượng tử. Tuy nhiên, câu trả lời là chúng ta phải đợi một khoảng thời gian còn dài hơn cả tuổi của vũ trụ để điều này xảy ra. (Nếu ta dùng một máy tính để vẽ đồ thị hàm sóng Schrödinger của cơ thể mình, ta sẽ thấy rằng nó rất giống với hình trạng cơ thể ta, ngoại trừ việc đồ thị sẽ hơi mờ trong đó một số sóng trải ra trong không gian theo tất cả mọi hướng, một số thậm chí còn vươn tới cả những ngôi sao xa xôi. Vì vậy xác suất ta thức dậy và thấy mình đang ở một hành tinh xa lạ là rất nhỏ.)

Việc các electron dường như ở nhiều nơi cùng một lúc tạo nên cơ sở vững chắc cho hóa học. Chúng ta đều biết rằng các electron quay quanh hạt nhân của nguyên tử giống như một hệ mặt trời thu nhỏ. Nhưng các nguyên tử và hệ mặt trời hoàn toàn khác nhau. Nếu hai hệ mặt trời va chạm nhau ngoài không gian, chúng sẽ bị phá vỡ và ném các hành tinh vào không gian sâu thẳm. Nhưng khi các nguyên tử va chạm nhau, chúng sẽ tạo thành phân tử và trở nên bền vững hoàn hảo nhờ chia sẻ các electron với nhau. Ở trường trung học, các giáo viên dạy hóa thường biểu diễn điều này bằng một “đám mây electron”, giống như quả bóng, gắn kết hai nguyên tử.

Nhưng các giáo viên hóa hiếm khi nói với học trò rằng trong thực tế, các electron không hề “bao phủ” khoảng không gian giữa hai nguyên tử. “Quả bóng” này thực ra biểu diễn xác suất để electron có thể một lúc tồn tại nhiều nơi bên trong quả bóng. Nói cách khác, toàn bộ môn hóa học, vốn có thể giải thích về các phân tử bên trong cơ thể chúng ta, dựa trên ý tưởng rằng các electron có thể cư trú đồng thời ở nhiều nơi và chính sự sẻ chia các electron giữa hai nguyên tử giúp cho các phân tử trong cơ thể chúng ta trở nên gắn kết. Nếu không tuân theo lý thuyết lượng tử, các phân tử và nguyên tử tạo thành cơ thể chúng ta sẽ bị phân rã tức thì.

Tính chất lạ lùng nhưng sâu sắc này của lý thuyết lượng tử (rằng các hiện tượng dù kỳ quặc đến mấy cũng có xác suất xảy ra) đã được nhà văn người Anh Douglas Adams khai thác trong tiểu thuyết hài hước The Hitchhikers Guide to the Galaxy (Bí kíp quá giang vào Ngân Hà). Vì cần một cách thuận tiện để lướt nhanh qua thiên hà, nên ông đã phát minh ra IID, “một phương pháp mới tuyệt diệu để băng qua khoảng cách bao la giữa các vì sao trong thời gian chưa tới một giây mà không để lại chút dấu vết nào”. Cỗ máy của ông có thể giúp ta thay đổi tùy ý xác suất của một sự kiện lượng tử bất kỳ, nhờ đó những sự kiện hầu như không thể xảy ra cũng sẽ trở nên phổ biến. Vì vậy, nếu muốn đến ngôi sao gần nhất chẳng hạn, ta chỉ cần thay đổi xác suất mà ta có thể xuất hiện ở ngôi sao đó, và bùm! Ta đã dịch chuyển tức thời tới ngôi sao này.

Trong thực tế, dù diễn ra thường xuyên như vậy bên trong nguyên tử nhưng những “bước nhảy” lượng tử không dễ mở rộng cho những vật thể lớn chứa hàng tỷ tỷ nguyên tử như con người. Thậm chí, nếu các electron trong cơ thể chúng ta có đang khiêu vũ và nhảy múa tưng bừng trên những quỹ đạo kỳ ảo quanh hạt nhân thì vì số lượng electron quá lớn nên tính trung bình, chúng được xem như đứng yên. Đó là lý do vật chất quanh chúng ta trông có vẻ rắn chắc và bền vững.

Như vậy, dù viễn tải có thể xảy ra ở cấp độ nguyên tử, nhưng chúng ta sẽ phải đợi một khoảng thời gian còn dài hơn cả tuổi của vũ trụ để thật sự được chứng kiến những hiệu ứng kỳ diệu này xuất hiện ở thang vĩ mô. Nhưng liệu chúng ta có thể sử dụng các định luật của lý thuyết lượng tử để tạo ra một cỗ máy viễn tải được những thứ mình mong muốn như trong các câu chuyện viễn tưởng? Thật ngạc nhiên, câu trả lời là có.

THÍ NGHIỆM EPR

Chìa khóa của việc viễn tải lượng tử nằm trong nghiên cứu nổi tiếng năm 1935 của Albert Einstein và các đồng sự Boris Podolsky và Nathan Rosen. Mỉa mai thay, chính họ đề xuất thí nghiệm EPR (đặt theo tên của ba người) nhằm loại bỏ khái niệm xác suất trong vật lý, một lần và mãi mãi. (Cay cú với những thực nghiệm thành công không thể chối cãi của lý thuyết lượng tử, Einstein viết: “Lý thuyết lượng tử càng thành công bao nhiêu thì trông nó càng ngớ ngẩn bấy nhiêu.”)

Nếu ban đầu hai electron dao động đồng bộ với nhau (được gọi là trạng thái kết hợp) thì chúng vẫn duy trì sự đồng bộ này kể cả khi được đưa ra xa nhau. Dù có cách xa nhau hàng năm ánh sáng thì vẫn có một sóng Schrödinger vô hình kết nối hai electron, giống như một sợi dây rốn. Nếu có điều gì xảy đến với một electron thì ngay lập tức thông tin sẽ được truyền đến electron kia. Đây là sự “liên đới lượng tử”, theo đó, giữa các hạt dao động kết hợp có liên hệ kết nối sâu xa.

Hãy bắt đầu với hai electron kết hợp đang dao động đồng bộ. Sau đó, để cho chúng bay ra xa theo hai hướng ngược nhau. Mỗi electron giống như một con quay, spin[2] của mỗi electron có thể hướng lên hoặc hướng xuống. Giả sử tổng spin của hệ bằng không, khi đó nếu spin của một electron là hướng lên thì ta biết chắc chắn spin của electron còn lại hướng xuống. Theo thuyết lượng tử, trước khi ta thực hiện các phép đo, spin của electron không hướng xuống hay hướng lên mà tồn tại trong một trạng thái trung gian có spin vừa hướng xuống vừa hướng lên một cách đồng thời. (Khi ta bắt đầu quan sát chúng, hàm sóng sẽ “co sụp” khiến hạt có trạng thái xác định.)

Tiếp theo, ta tiến hành đo spin của một electron. Giả sử spin của nó là hướng lên. Khi đó, ta sẽ nhận ra ngay spin của electron kia là hướng xuống. Thậm chí nếu hai electron ở cách xa nhau nhiều năm ánh sáng, thì ta cũng vẫn biết được spin của electron thứ hai ngay khi đo được spin của electron đầu. Thực tế, ta biết được điều này còn nhanh hơn cả tốc độ ánh sáng! Vì hai electron này “liên đới” với nhau, tức là hàm sóng của chúng biến đổi đồng bộ, nên dường như các hàm sóng này liên kết với nhau bởi một sợi dây vô hình như kiểu dây rốn. Bất cứ điều gì xảy đến với một hạt cũng ngay lập tức tác động đến hạt kia. (Điều này cũng ngụ ý rằng những gì xảy đến với chúng ta cũng sẽ ảnh hưởng tức thì đến những thứ ở ngóc ngách xa xôi trong vũ trụ, vì hàm sóng của chúng ta có thể đã liên đới với nhau ở giai đoạn khởi thủy của thời gian. Nói cách khác, có một mạng lưới liên đới kết nối các phần khác nhau của vũ trụ, bao gồm cả chính chúng ta trong đó). Einstein đã chế giễu khái niệm liên đới này, gọi nó là “tác động của ma quỷ từ xa” và cho rằng hiện tượng này, có thể giúp “chứng minh” lý thuyết lượng tử là sai vì không gì có thể chuyển động nhanh hơn ánh sáng.

Ban đầu, Einstein thiết kế thí nghiệm EPR để gióng lên hồi chuông cáo chung cho lý thuyết lượng tử. Nhưng vào những năm 1980, nhà vật lý Alain Aspect và các đồng nghiệp ở Pháp đã thực hiện thí nghiệm này với hai máy dò đặt cách nhau 13m nhằm đo đạc spin của các electron phát ra từ các nguyên tử canxi và thu được kết quả phù hợp tuyệt vời với lý thuyết lượng tử. Rõ ràng Chúa đang chơi xúc xắc với vũ trụ của chúng ta.

Vậy liệu thông tin có thật sự được truyền đi nhanh hơn ánh sáng không? Có phải Einstein đã sai khi cho rằng tốc độ ánh sáng là tốc độ giới hạn của vũ trụ? Không hẳn vậy. Thông tin có thể truyền nhanh hơn ánh sáng, nhưng nó mang tính ngẫu nhiên nên hóa ra vô dụng. Ta không thể gửi đi một bức điện tín thực sự hay một mã morse theo cách của thí nghiệm EPR, ngay cả khi thông tin có truyền đi nhanh hơn ánh sáng.

Biết được spin của một electron ở ngóc ngách nào đó của vũ trụ đang hướng xuống là một thông tin vô ích. Ta không thể gửi đi bản tin chứng khoán thường nhật theo cách này. Để minh họa, giả sử ta có một người bạn luôn đi một chiếc tất đỏ và một chiếc tất xanh theo thứ tự ngẫu nhiên. Ta kiểm tra một chân và thấy rằng chiếc tất ở chân đó có màu đỏ. Khi đó ta biết còn nhanh hơn cả tốc độ ánh sáng rằng chiếc tất ở chân kia phải có màu xanh. Thông tin thực sự truyền nhanh hơn ánh sáng, nhưng thông tin kiểu này lại vô dụng. Không có tín hiệu mang thông tin hữu ích nào có thể truyền đi theo cách này.

Suốt nhiều năm, thí nghiệm EPR thường được dùng để minh họa cho thành công vang dội của lý thuyết lượng tử trước các nhà phê bình, nhưng chiến thắng ấy chẳng mang lại hệ quả thực tiễn nào. Cho đến tận ngày nay.

VIỄN TẢI LƯỢNG TỬ

Mọi thứ đã thay đổi vào năm 1993, khi Charles Bennett cùng các nhà khoa học tại IBM đã chứng tỏ tính khả thi của việc sử dụng thí nghiệm EPR để viễn tải các vật, ít nhất là ở thang nguyên tử. (Chính xác hơn, họ đã chỉ ra rằng ta có thể viễn tải mọi thông tin chứa trong một hạt.) Kể từ đó, các nhà vật lý đã có thể viễn tải các photon, thậm chí cả nguyên tử xêsi. Chỉ trong vài thập niên nữa, các nhà khoa học có lẽ sẽ viễn tải được phân tử ADN và virút.

Viễn tải lượng tử tập trung khai thác một số tính chất lạ thường của thí nghiệm EPR. Trong những thí nghiệm viễn tải như vậy, các nhà vật lý bắt đầu với hai nguyên tử A và C. Để viễn tải thông tin từ nguyên tử A sang nguyên tử C, chúng ta đưa thêm vào một nguyên tử B. Nguyên tử B ban đầu có tính liên đới với nguyên tử C, do đó chúng có tính kết hợp. Bây giờ, cho nguyên tử A tiếp xúc với nguyên tử B. Khi A quét lên B, thông tin của nguyên tử A được truyền sang nguyên tử B. Quá trình này khiến các nguyên tử A và B liên đới với nhau. Nhưng vì ban đầu, các nguyên tử B và C đã được liên đới với nhau nên thông tin từ nguyên tử A giờ đây được truyền sang nguyên tử C. Tóm lại, nguyên tử A đã được viễn tải sang nguyên tử C vì lúc này, thông tin của nguyên tử C giống hệt với thông tin của nguyên tử A ban đầu.

Chúng ta cần lưu ý rằng thông tin trên nguyên tử A bị phá hủy sau khi viễn tải (vì vậy chúng ta không thể có hai bản sao giống hệt nhau). Điều này có nghĩa người được viễn tải sẽ chết trong quá trình này. Nhưng những thông tin về cơ thể người này sẽ xuất hiện ở chỗ khác. Bên cạnh đó, nguyên tử A không di chuyển tới vị trí của nguyên tử C, mà chỉ có thông tin của nguyên tử A (như spin hay độ phân cực của nó) được truyền sang C. (Điều này không hàm ý nguyên tử A đột nhiên biến mất và sau đó vụt đến một nơi khác. Nó chỉ cho biết thông tin của nguyên tử A được chuyển sang nguyên tử C mà thôi.)

Kể từ khi đột phá này được tuyên bố, các nhóm nghiên cứu trong lĩnh vực này đã cạnh tranh khốc liệt để vượt lên trước. Minh chứng quan trọng đầu tiên về viễn tải lượng tử là khi các photon của ánh sáng tử ngoại được viễn tải vào năm 1997 tại Đại học Innsbruck, nối tiếp là thành công của các nhà thực nghiệm ở Cal Tech vào năm sau đó, khi họ thực hiện thí nghiệm viễn tải các photon với độ chính xác cao hơn nữa.

Năm 2004, các nhà vật lý tại Đại học Vienna sử dụng một dây cáp quang để viễn tải các hạt ánh sáng vượt qua khoảng cách 600m bên dưới dòng chảy của sông Danube và thiết lập một kỷ lục mới. (Sợi cáp có độ dài 800m này được căng bên dưới hệ thống ống ngầm công cộng đặt dưới lòng sông Danube. Bộ phận gửi được đặt ở bên này sông và bộ phận nhận ở bên kia sông.)

Hạn chế của những thí nghiệm này là chúng được thực hiện với các photon ánh sáng dường như chỉ là phạm trù của khoa học viễn tưởng. Vì vậy, người ta đã tiến hành một thí nghiệm khác vào năm 2004, thực hiện viễn tải lượng tử không phải với photon ánh sáng mà với các nguyên tử đưa chúng ta tiến gần hơn tới một thiết bị viễn tải trong thực tiễn. Các nhà vật lý thuộc Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỷ tại Washington DC đã thành công trong việc tạo tính liên đới giữa ba nguyên tử berili và truyền các tính chất của một nguyên tử này sang nguyên tử kia. Thành tựu này quan trọng đến nỗi nó được đăng trên trang bìa tạp chí Nature. Một nhóm khác cũng đã viễn tải được các nguyên tử canxi.

Một bước tiến ngoạn mục xuất hiện vào năm 2006, khi lần đầu tiên việc viễn tải được tiến hành với một vật vĩ mô. Các nhà vật lý tại Viện Niels Bohr ở Copenhagen và Viện Max Planck ở Đức đã tạo liên đới giữa một chùm ánh sáng và một đám khí xêsi — một kỳ công ở quy mô hàng tỷ tỷ nguyên tử. Khi đó, họ mã hóa thông tin trong chùm laser, rồi viễn tải các thông tin này đến các nguyên tử xêsi đặt cách đó khoảng nửa mét. “Lần đầu tiên, viễn tải lượng tử được thực hiện giữa ánh sáng — vật mang thông tin — và các nguyên tử.” Eugene Polzik, một trong những nhà nghiên cứu, tự hào tuyên bố.

VIỄN TẢI KHÔNG DÙNG ĐẾN TÍNH LIÊN ĐỚI

Sự phát triển của viễn tải đang tăng tốc nhanh chóng. Năm 2007, các nhà vật lý đã mang đến đột phá khi đề xuất một phương pháp viễn tải không dùng đến tính liên đới. Cần nhắc lại rằng làm liên đới các hạt là bước khó nhất của việc viễn tải lượng tử. Giải quyết được trở ngại này có thể mở ra một viễn cảnh mới cho việc viễn tải.

“Chúng ta đang nói về việc làm biến mất một chùm chứa khoảng 5.000 hạt và cho nó xuất hiện trở lại ở nơi khác.” Theo lời nhà vật lý Aston Bradley thuộc Hội đồng Nghiên cứu của Trung tâm Tinh hoa về Nguyên tử và Quang học Lượng tử tại Brisbane, Australia. Ông là người mở đường cho phương pháp viễn tải mới này.

“Chúng tôi cảm thấy kế hoạch của mình đã tiến gần hơn tới tinh thần của các khái niệm viễn tưởng nguyên bản.” Ông xác nhận. Trong cách tiếp cận này, Bradley cùng các đồng nghiệp đã chuyển tất cả thông tin của một chùm nguyên tử rubiđi sang một chùm sáng, dùng một sợi cáp quang để truyền chùm sáng này, sau đó tái lập chùm nguyên tử ban đầu ở một địa điểm cách xa đó. Nếu nhận định của ông là đúng thì phương pháp này sẽ gỡ bỏ nhiều chướng ngại trong quá trình viễn tải và mở ra một đường hướng hoàn toàn mới để viễn tải các vật có kích thước ngày càng lớn.

Để phân biệt với phương pháp viễn tải lượng tử, tiến sĩ Bradley gọi phương pháp của mình là “viễn tải cổ điển”. (Cách gọi này có thể gây nhầm lần, vì phương pháp của ông chủ yếu vẫn dựa vào lý thuyết lượng tử, chỉ có điều không sử dụng đến sự liên đới.)

Chìa khóa của kiểu viễn tải lạ thường này là một trạng thái mới của vật chất, có tên “ngưng tụ Bose Einstein”, viết tắt là BEC. Đây là một trong những trạng thái lạnh nhất vũ trụ. Trong tự nhiên, nhiệt độ thấp nhất được tìm thấy là ngoài không gian vũ trụ, khoảng 3 K trên không độ tuyệt đối. (Đây là tàn dư nhiệt còn lại sau Vụ Nổ Lớn, vẫn còn tràn ngập trong khắp vũ trụ.) Nhưng nhiệt độ của BEC là một phần triệu của một phần tỷ độ trên không độ tuyệt đối — mức nhiệt độ chỉ có thể đạt được trong phòng thí nghiệm.

Khi một số loại vật chất được làm lạnh đến gần không độ tuyệt đối, các nguyên tử của chúng đồng loạt chuyển về mức năng lượng thấp nhất, nhờ đó dao động đồng bộ và kết hợp với nhau. Hàm sóng của các nguyên tử này sẽ phủ lên nhau, nên BEC giống như một “siêu nguyên tử” khổng lồ, có tất cả các nguyên tử dao động đồng bộ với nhau.

Trạng thái kỳ lạ này của vật chất đã được Einstein và Satyendranath Bose tiên đoán vào năm 1925, nhưng phải 70 năm sau, tức là năm 1995, BEC mới được tạo ra trong phòng thí nghiệm tại Viện Công nghệ Massachusetts MIT và Đại học Colorado.

Và đây là cách mà thiết bị viễn tải của Bradley và các đồng sự vận hành. Đầu tiên, họ sử dụng một tập hợp các nguyên tử rubiđi siêu lạnh đang ở trạng thái BEC. Sau đó, họ bắn một chùm nguyên tử rubiđi khác vào trạng thái ngưng tụ này. Các nguyên tử trong chùm tia cũng có xu hướng chuyển về mức năng lượng thấp nhất, vì vậy chúng phát ra phần năng lượng dư thừa dưới dạng các xung ánh sáng. Ánh sáng phát ra được truyền vào một sợi cáp quang. Điều đáng chú ý ở đây là chùm sáng này mang tất cả các thông tin lượng tử cần thiết của chùm rubiđi được bắn vào trạng thái BEC (như vị trí và vận tốc của các nguyên tử rubiđi). Sau đó chùm sáng tạo thành lại chiếu vào một trạng thái BEC khác, các nguyên tử ngưng tụ này sẽ nhận được các thông tin của chùm vật chất ban đầu đã được mã hóa trong chùm sáng.

Phương pháp viễn tải mới này có nhiều hứa hẹn vì nó không cần dùng đến tính liên đới giữa các nguyên tử. Nhưng nó cũng có những hạn chế. Nó phụ thuộc chủ yếu vào ngưng tụ BEC, mà trạng thái này lại rất khó tạo ra, kể cả trong phòng thí nghiệm. Hơn nữa, tính chất của ngưng tụ BEC tương đối kỳ lạ vì chúng hoạt động như một nguyên tử khổng lồ duy nhất. Về mặt nguyên lý, các hiệu ứng lượng tử lạ thường mà chúng ta chỉ thấy ở thang nguyên tử giờ đây lại có thể quan sát bằng mắt thường với ngưng tụ BEC. Điều này từng được cho là không thể đạt được.

Ứng dụng trực tiếp vào thực tiễn của ngưng tụ BEC là tạo ra các “laser nguyên tử”. Dĩ nhiên, laser được chế tạo dựa trên các chùm photon dao động đồng bộ. Nhưng ngưng tụ BEC là một tập hợp các nguyên tử dao động đồng bộ như vậy nên ta cũng có thể giúp tạo ra chùm tia gồm các nguyên tử BEC kết hợp với nhau. Nói cách khác, trạng thái BEC có thể tạo ra một bản sao của laser, là kiểu laser nguyên tử hay laser vật chất, được tạo thành từ các nguyên tử ngưng tụ. Ứng dụng thương mại của laser là rất lớn nên các ứng dụng của loại laser nguyên tử cũng rất đáng được chờ đợi. Nhưng vì trạng thái ngưng tụ BEC chỉ tồn tại ở nhiệt độ ngay trên không độ tuyệt đối nên sự phát triển trong lĩnh vực này tương đối chậm, nếu không muốn nói là đang chững lại.

Với những tiến bộ đã đạt được, liệu khi nào chúng ta mới có thể viễn tải chính mình? Các nhà vật lý hy vọng sẽ có thể viễn tải các nguyên tử phức tạp trong một vài năm tới. Nhiều thập kỷ sau, có lẽ sẽ tới lúc chúng ta viễn tải được một phân tử ADN hay thậm chí là cả con virút. Không có nguyên lý nào ngăn cản việc viễn tải một con người bằng xương bằng thịt như trong các bộ phim khoa học viễn tưởng, nhưng những khó khăn về mặt kỹ thuật mà chúng ta phải đối mặt thực sự gây choáng váng. Các phòng thí nghiệm tốt nhất thế giới hiện nay mới chỉ kết hợp được các photon ánh sáng nhỏ bé và các nguyên tử đơn lẻ. Việc tạo ra trạng thái kết hợp lượng tử bao gồm các vật vĩ mô thực sự, như một con người vượt quá tầm truy vấn của chúng ta đòi hỏi rất lâu nữa mới có thể đạt đến. Thực tế, nếu điều này có khả dĩ, chúng ta cũng phải chờ nhiều thế kỷ hoặc lâu hơn nữa trước khi những vật thể thông thường có thể được viễn tải.

MÁY TÍNH LƯỢNG TỬ

Cuối cùng, định mệnh của việc viễn tải lượng tử có liên hệ chặt chẽ với sự phát triển các máy tính lượng tử. Cả hai cùng dựa trên vật lý lượng tử và dùng chung công nghệ, vì vậy chúng là hai lĩnh vực giao thoa nhau. Sẽ đến một ngày các máy tính lượng tử thay thế các máy tính kỹ thuật số quen thuộc trên bàn làm việc của chúng ta. Thực tế, tương lai của nền kinh tế thế giới có thể sẽ phụ thuộc vào các loại máy tính như vậy, do đó công nghệ này nhận được sự quan tâm rộng rãi. Rồi sẽ tới lúc Thung lũng Silicon trở thành Vành đai Gỉ sắt[3], bị các công nghệ mới sử dụng các thuật toán lượng tử thế chỗ.

Máy tính thông thường sử dụng hệ nhị phân 0 và 1, được gọi là các bit. Nhưng máy tính lượng tử mạnh mẽ hơn nhiều. Chúng có thể tính toán dựa trên các qubit, lấy bất kỳ giá trị nào từ 0 đến 1. Hãy tưởng tượng một nguyên tử được đặt trong từ trường. Nó đang xoay như một con quay, vì vậy trục quay của nó có thể hướng lên hoặc hướng xuống. Theo cảm quan thông thường, spin của nguyên tử có thể hướng lên hoặc hướng xuống chứ không thể là cả hai cùng lúc. Nhưng trong thế giới lượng tử kỳ lạ, nguyên tử lại là sự tổng hợp của hai trạng thái, giống như sự kết hợp giữa một nguyên tử có spin hướng lên và một nguyên tử có spin hướng xuống. Cũng ở thế giới lượng tử kỳ lạ này, mỗi vật thể đều là tổng của tất cả các trạng thái khả dĩ. (Nếu các vật có kích thước vĩ mô, như một con mèo chẳng hạn, được mô tả bằng hình thức luận lượng tử, ta phải lấy tổng hàm sóng của một con mèo sống và một con mèo chết, tức là con mèo được mô tả ở trạng thái không sống cũng chẳng chết. Tôi sẽ bàn chi tiết hơn về điều này trong chương 13.)

Giờ hãy tưởng tượng một dãy nguyên tử được sắp xếp ngay ngắn trong từ trường, mang spin cùng hướng với nhau. Nếu chiếu một chùm laser đến dãy nguyên tử, chùm laser sẽ tán xạ lên các nguyên tử, làm xoay trục spin của một số nguyên tử trong dãy. Bằng cách đo đạc sự khác nhau giữa chùm laser trước và sau tán xạ, chúng ta thực hiện được một “phép tính” lượng tử phức tạp, liên quan tới việc làm quay các trục spin.

Các máy tính lượng tử hiện vẫn còn khá đơn sơ. Kỷ lục thế giới đối với tính toán lượng tử mới chỉ là việc thực hiện phép tính 3x5 = 15, nên còn lâu chúng mới thay thế được các siêu máy tính ngày nay. Viễn tải lượng tử và tính toán lượng tử có chung điểm yếu chết người, là việc duy trì sự kết hợp của một tập hợp lớn các nguyên tử. Nếu vấn đề này được giải quyết, nó sẽ là một đột phá lớn trong cả hai lĩnh vực.

CIA và các tổ chức tình báo khác đã dành nhiều quan tâm đến máy tính lượng tử. Nhiều mật mã trên thế giới phụ thuộc vào “chìa khóa giải mã” — một số nguyên rất lớn, có thể được phân tích thành các thừa số nguyên tố. Nếu chìa khóa là tích của hai số và mỗi số lại gồm hàng trăm chữ số, thì một máy tính kỹ thuật số thông thường phải mất cả trăm năm mới tìm ra được hai thừa số của chìa khóa này. Trình độ hiện nay thực sự chưa thể phá vỡ một mật mã như vậy.

Nhưng vào năm 1994, Peter Shor ở Phòng Thí nghiệm Bell đã chứng tỏ việc phân tích những số lớn như vậy thành phân tử chỉ là trò con nít đối với máy tính lượng tử. Khám phá này ngay lập tức thu hút sự quan tâm của cộng đồng tri thức. Về nguyên tắc, máy tính lượng tử có thể bẻ khóa bất cứ mật mã nào trên thế giới, ném các hệ thống bảo mật máy tính hiện nay vào sọt rác. Quốc gia nào xây dựng được hệ thống này đầu tiên sẽ giải mã được những bí mật lớn nhất của các nước khác cũng như của bất kỳ tổ chức nào mà họ muốn.

Một số nhà khoa học nhận định rằng trong tương lai, nền kinh tế thế giới nhiều khả năng sẽ phụ thuộc vào máy tính lượng tử. Máy tính kỹ thuật số dựa trên nền tảng bán dẫn được cho là sẽ đạt tới giới hạn vật lý về khả năng tính toán vào năm 2020. Một dòng máy tính mới và mạnh mẽ hơn nhiều trở nên cần thiết nếu công nghệ tiếp tục tiến bộ hơn nữa. Một số khác lại đang khám phá khả năng tái tạo sức mạnh của bộ não người nhờ máy tính lượng tử.

Thành ra, đặt cược vào công nghệ này là rất lớn. Nếu giải quyết được vấn đề về tính kết hợp, chúng ta không chỉ vượt qua thách thức về việc viễn tải mà còn có thể thúc đẩy công nghệ tiến bộ theo cách không thể đoán trước được nhờ vào các máy tính lượng tử. Đây là một đột phá quan trọng mà tôi sẽ trở lại bàn luận trong các chương tiếp theo.

Như tôi đã chỉ ra ở phần trước, việc duy trì tính kết hợp trong phòng thí nghiệm là một khó khăn khủng khiếp. Những dao động nhỏ nhất cũng có thể phá vỡ tính kết hợp giữa hai nguyên tử, kéo theo sự thất bại của các tính toán. Hiện nay, việc giữ cho chỉ một số ít các nguyên tử kết hợp với nhau cũng đã rất khó khăn. Các nguyên tử đồng bộ ban đầu sẽ nhanh chóng mất tính kết hợp chỉ trong vài nano giây, hay lâu nhất là một giây. Viễn tải phải được tiến hành nhanh chóng, trước khi các nguyên tử bắt đầu mất khả năng kết hợp; điều này lại đặt ra một giới hạn nữa cho việc tính toán lượng tử và viễn tải.

Bất chấp những thách thức như vậy, David Deutsch ở Đại học Oxford vẫn tin rằng có thể vượt qua chúng: “Với một chút may mắn, cộng với sự hỗ trợ của những tiến bộ về mặt lý thuyết trong thời gian gần đây, [máy tính lượng tử] có thể sẽ được chế tạo trong thời gian không quá 50 năm nữa… Nó sẽ mở ra một cách thức hoàn toàn mới để khám phá tự nhiên.”

Để xây dựng một máy tính lượng tử hữu dụng, chúng ta cần làm cho hàng trăm triệu nguyên tử dao động đồng bộ- một thành tựu vượt xa khả năng hiện nay của chúng ta. Việc viễn tải thuyền trưởng Kirk là một nhiệm vụ khó khăn khủng khiếp. Chúng ta sẽ phải tạo ra một bản sao có liên đới lượng tử với thuyền trưởng Kirk. Thậm chí với công nghệ nano và các máy tính tối tân nhất, ta cũng khó mường tượng được việc này có thể được tiến hành như thế nào.

Như vậy, viễn tải tồn tại ở thang nguyên tử và chúng ta hy vọng có thể viễn tải các phân tử phức tạp hơn hay thậm chí là các phân tử hữu cơ trong một vài thập niên tới. Nhưng việc viễn tải một vật thể lớn sẽ phải đợi lâu hơn, có thể đến hàng thế kỷ hoặc xa hơn nữa, ấy là nếu điều này thực khả dĩ. Do đó, việc viễn tải các phân tử phức tạp, thậm chí là con virút hay một tế bào sống, được xếp vào nhóm Bất khả thi loại I, là những thứ có thể trở thành hiện thực trong thế kỷ này. Nhưng việc viễn tải một người sống, dù không bị các định luật vật lý ngăn cản, lại là công việc sẽ mất nhiều thế kỷ. Vì vậy, tôi sắp xếp kiểu viễn tải này vào nhóm Bất khả thi loại II.

❀ ❀ ❀

[1] Điển tích TRÁO THÂN trong Kinh thánh.

[2] Spin là một đại lượng vật lý, có bản chất của mômen động lượng và là một khái niệm thuần túy lượng tử, không có khái niệm tương ứng trong cơ học cổ điển.

[3] Ý chỉ một nơi có nền công nghiệp đã suy thoái.