Rối lượng tử có truyền tin nhanh hơn ánh sáng không?

• Tờ ghi kết quả thứ nhất
• Tờ ghi kết quả thứ hai
• Mối liên hệ rối (nét đứt)
• Dây nối thông thường (nét liền)

Bạn sẽ học được gì

• Giải thích vì sao tương quan giữa hai hạt rối không mang được thông điệp.
• Mô tả vai trò của kênh thông thường trong dịch chuyển lượng tử.
• Nêu mối liên hệ giữa việc không gửi được tin và nguyên lý nhân quả trong thuyết tương đối.

Cần biết trước

Nên đọc trước bài Rối lượng tử là gì?. Bài này dùng các từ tương quan, phép đo và nhân quả; mỗi từ được giải thích ngay khi xuất hiện.

Vì sao rối lượng tử không gửi được tin?

Rối lượng tử không gửi được tin vì không ai chọn được kết quả đo của mình. Theo Bách khoa toàn thư Triết học Stanford, hệ thứ hai không thể bị lái vào một trạng thái lượng tử cụ thể theo ý người thí nghiệm. Với nhiều cặp rối, người đó chỉ giới hạn được tập các trạng thái mà hệ thứ hai có thể rơi vào.

Thử đặt vào một tình huống. Lan muốn báo “có” cho Minh bằng cách chọn cách đo hạt của mình. Nhưng bài Định lý Bell trên cùng bách khoa toàn thư ghi rằng các tương quan lượng tử không thể dùng để báo tín hiệu nhanh hơn ánh sáng. Dãy kết quả của Minh không cho anh đọc ra lựa chọn của Lan.

Điểm quyết định là thống kê mà Minh thấy ở riêng phía mình không tiết lộ lựa chọn của Lan. Việc suy ra tính ngẫu nhiên từ phép thử Bell cần các giả định của phép thử; chỉ riêng câu “không có tín hiệu nhanh hơn ánh sáng” chưa đủ để kết luận mọi kết quả đo đều hoàn toàn ngẫu nhiên.

• Mặt số chọn cách đo
• Thanh chắn: lựa chọn không tới được bên kia
• Kết quả khi chọn cách đo thứ nhất
• Kết quả khi chọn cách đo thứ hai

Tin nhắn cần gì ngoài rối lượng tử?

Tin nhắn cần thêm một kênh thông thường để báo kết quả. Dịch chuyển lượng tử là ví dụ rõ nhất, theo bài về rối lượng tử trên Bách khoa toàn thư Stanford.

Alice và Bob chia nhau một cặp photon rối, mỗi người giữ một photon. Alice nhận thêm một photon ở trạng thái phân cực chưa biết và làm một phép toán lên hai photon trong tay. Phép toán có bốn kết quả ngẫu nhiên, và tùy kết quả đó, photon của Bob bị đưa vào một trong bốn trạng thái.

Bob chưa biết mình đang giữ trạng thái nào. Chỉ sau khi Alice báo kết quả phép toán, Bob mới biết photon của mình đã đúng trạng thái cần có hay phải biến đổi tiếp ra sao. Kết quả đó chứa đúng hai bit thông tin cổ điển, và nguồn Stanford nói rõ nó đi qua một kênh thông thường, như đường dây điện thoại.

Cuối cùng, Alice và Bob dùng trạng thái rối chung làm kênh truyền thông lượng tử để hủy trạng thái của một photon ở phía Alice và tạo lại nó ở phía Bob. Thiếu cuộc gọi hai bit kia, Bob không dùng được gì.

• Phía Alice
• Phía Bob
• Trạng thái cần chuyển ở phía Alice
• Trạng thái được tạo lại ở phía Bob
• Bản tin thông thường (hai ô vuông)
• Mối liên hệ rối (nét đứt)

Vì sao chuyện này liên quan đến nhân quả?

Việc không gửi được tin giữ cho nhân quả trong thuyết tương đối khỏi bị phá. Theo bài Định lý Bell, quan hệ nhân quả được hiểu là có hướng thời gian: nguyên nhân đi trước kết quả. Còn các sự kiện cách nhau kiểu không gian, nghĩa là quá xa nhau để ánh sáng nối kịp, được coi là không có thứ tự thời gian.

Lý do là thứ tự đó đổi theo hệ quy chiếu. Với hai sự kiện như vậy, người quan sát khác nhau gán cho chúng thứ tự trước sau khác nhau. Nếu coi mọi hệ quy chiếu là ngang quyền, một quan hệ không giữ nguyên ở mọi hệ thì không có ý nghĩa vật lý. Dựa trên tính bất biến Lorentz đó và quan niệm nguyên nhân đi trước kết quả, Bell đưa ra cái gọi là nguyên lý nhân quả địa phương.

Shimony nói đến sự “cùng tồn tại hòa bình” giữa thuyết tương đối hẹp và lý thuyết lượng tử. Theo bài Stanford, về sau ông cho rằng điều gợi ý cho sự hòa bình ấy là các tương quan lượng tử không dùng được để gửi tín hiệu nhanh hơn ánh sáng.

Câu hỏi nhân quả chưa khép lại ở đó. Cũng bài này kể một lựa chọn của các nhà vật lý: chấp nhận có quan hệ nhân quả giữa những sự kiện nằm ngoài nón ánh sáng của nhau. Định lý Bell, ở bài kế tiếp, nói vì sao họ phải cân nhắc lựa chọn đó.

• Sự kiện thứ nhất
• Sự kiện thứ hai
• Đường ánh sáng tạo thành nón ánh sáng
• Mối tương quan giữa hai sự kiện (nét đứt)
• Trục thời gian và trục không gian

Ví dụ trong đời sống

Hãy tưởng tượng Lan và Minh ghi kết quả đo của mình ra hai tờ giấy, ở hai thành phố. Nhìn riêng, mỗi tờ trông như một dãy ngẫu nhiên, và Lan không thể làm tờ của Minh mang một chữ nào. Khi hai người gọi điện đọc cho nhau, họ mới thấy hai tờ khớp.

Chính tính ngẫu nhiên đó có ích. Theo bài Định lý Bell, người ta thiết kế được giao thức phân phối khóa lượng tử an toàn có chứng minh, với giả định rằng vật lý, dù bên dưới là gì, không cho phép tín hiệu nhanh hơn ánh sáng.

Hiểu lầm thường gặp

Đo hạt này không làm hạt kia “nhận lệnh”. Người đo không chọn được kết quả bên kia, nên không dùng được nó để gửi chữ.

Dịch chuyển lượng tử không gửi người hay vật tức thời. Trạng thái của một photon bị hủy ở phía này và tạo lại ở phía kia, và cần một cuộc gọi thông thường để dùng được kết quả.

Không gửi được tin không có nghĩa hai hạt không liên quan. Tương quan vẫn có thật; chỉ là nó không phải một tín hiệu.

Câu hỏi thường gặp

Rối lượng tử có nhanh hơn ánh sáng không?

Không dùng được để gửi tin nhanh hơn ánh sáng. Các tương quan lượng tử không thể dùng để báo tín hiệu vượt tốc độ ánh sáng.

Dịch chuyển lượng tử có cần gửi thêm thông tin không?

Có. Bob chỉ biết cách dùng photon của mình sau khi Alice báo kết quả phép toán, hai bit thông tin cổ điển qua kênh thông thường.

Vì sao kết quả mỗi bên là ngẫu nhiên?

Trong ví dụ cặp rối đang xét, mỗi bên có các kết quả không điều khiển được. Điều cấm gửi tin là thống kê cục bộ không cho biết lựa chọn ở xa; không phải mọi phép đo lượng tử đều ngẫu nhiên như nhau.

Rối lượng tử dùng để bảo mật được không?

Có thể dùng, và an toàn có chứng minh với giả định không có tín hiệu nhanh hơn ánh sáng.

Tóm tắt

• Không ai chọn được kết quả đo của mình, nên tương quan giữa hai hạt rối không mang thông điệp.
• Dịch chuyển lượng tử vẫn cần một cuộc báo kết quả qua kênh thông thường.
• Không gửi được tin giữ yên thứ tự nhân quả, nhưng chưa trả lời hết câu hỏi nhân quả của tương quan rối.