Rối lượng tử là gì?

• Nguồn chuẩn bị cặp hạt
• Hạt thứ nhất
• Hạt thứ hai
• Mối liên hệ rối (nét đứt)

Bạn sẽ học được gì

• Nêu rối lượng tử là gì và ai đã đặt tên cho nó.
• Mô tả cách hai hạt trở nên rối và vì sao kết quả đo của chúng khớp nhau.
• Phân biệt sự khớp nhau đó với việc gửi tin từ hạt này sang hạt kia.

Cần biết trước

Nên đọc trước bài Chồng chập lượng tử là gì?. Các thuật ngữ khác được giải thích ngay trong bài.

Rối lượng tử bắt đầu từ đâu?

Một cách tạo rối là cho các hệ tương tác trong quá trình chuẩn bị trạng thái chung. Đây là tình huống Schrödinger dùng khi đặt tên “entanglement”, theo Bách khoa toàn thư Triết học Stanford. Đó là một cách chuẩn bị rối, không phải định nghĩa buộc mọi cặp hạt phải trực tiếp gặp nhau.

Trong thí nghiệm tư duy nổi tiếng của Einstein, Podolsky và Rosen, hai hạt được chuẩn bị từ một nguồn, ở một trạng thái “thuần” của cả cặp. Trạng thái đó không viết lại được thành trạng thái riêng của từng hạt.

Điểm đáng nhớ là phải mô tả trạng thái chung. Việc hai hạt từng tương tác, tự nó, chưa cho biết chúng đang ở trạng thái rối nào hay tương quan đo sẽ ra sao.

• Hai hệ đang tương tác
• Quá trình tách ra
• Hai hệ sau khi tách
• Mối liên hệ còn lại (nét đứt)

Đo một hạt cho ta biết gì về hạt kia?

Trong ví dụ EPR lý tưởng mà Stanford mô tả, đo vị trí của một hạt cho phép dự đoán chắc chắn kết quả đo vị trí của hạt kia; với động lượng cũng vậy. Đây là tính chất của trạng thái và cách đo trong ví dụ ấy, không phải quy tắc cho mọi trạng thái rối.

Hai phép đo này loại trừ nhau. Mỗi lần chỉ chọn được một, vị trí hoặc động lượng. Đo cái này xong thì sự khớp nhau của cái kia biến mất.

Ngoài chi tiết đó, nguồn Stanford mô tả sự khớp nhau giống tương quan cổ điển giữa hai viên bi-a sau một cú va chạm. Tương quan cổ điển giải thích được bằng một nguyên nhân chung.

Cái lạ nằm ở chỗ khác. Schrödinger nhận xét rằng hiểu biết tốt nhất về cả hệ không nhất thiết gồm hiểu biết tốt nhất về từng phần của nó, dù các phần đã tách rời hoàn toàn.

• Máy đo thứ nhất
• Máy đo thứ hai
• Mặt số chọn loại phép đo
• Đèn kết quả
• Hai vạch song song: kết quả khớp nhau

Rối lượng tử có gửi tin được không?

Rối lượng tử không gửi được tin, vì người đo không chọn được kết quả. Theo nguồn 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.

Hãy tưởng tượng một người đo hạt của mình ở Hà Nội, một người đo hạt của mình ở Huế. Người thứ nhất không đặt được chữ “có” hay “không” vào kết quả của người thứ hai. Cả hai chỉ thấy các kết quả khớp nhau khi đem so sánh.

Bài tiếp theo trong chủ đề này đi sâu vào câu hỏi đó. Ở đây chỉ cần nhớ: khớp nhau và truyền tin là hai chuyện khác nhau.

• Lựa chọn của người đo thứ nhất
• Thanh chắn: lựa chọn không tới được bên kia
• Kết quả ở hạt thứ hai
• Mối liên hệ rối (nét đứt)

Ví dụ trong đời sống

Một đôi găng tay chia vào hai hộp cho ta hình dung phần “nguyên nhân chung”. Người xếp găng biết hộp này chứa găng trái thì hộp kia chứa găng phải. Mở một hộp là biết hộp còn lại, và nguyên nhân của sự khớp nhau là lúc xếp găng.

Ví dụ găng tay chỉ mô tả tương quan có sẵn. Nó chưa phân biệt được rối lượng tử với tương quan cổ điển. Muốn thấy khác biệt, phải xét kết quả qua nhiều lựa chọn phép đo và các giới hạn Bell, như bài Stanford giải thích. Không thể kết luận có rối chỉ từ việc hai kết quả trùng nhau.

Rối lượng tử cũng có ích thật. Theo nguồn Stanford, một cặp hệ ở trạng thái rối có thể làm kênh thông tin lượng tử cho các việc tính toán và mật mã mà hệ cổ điển không làm được.

Hiểu lầm thường gặp

Hai hạt rối không nối với nhau bằng một sợi dây ngầm gửi tín hiệu. Người đo không điều khiển được kết quả bên kia.

Rối lượng tử không có nghĩa mọi phép đo đều cho kết quả khớp. Trong ví dụ kinh điển, vị trí hoặc động lượng, mỗi lần chỉ một loại khớp.

Không thể kết luận có rối chỉ vì hai kết quả trùng nhau. Cần biết trạng thái được chuẩn bị và cách kiểm tra tương quan của nó.

Câu hỏi thường gặp

Ai đặt tên cho rối lượng tử?

Schrödinger đặt tên “entanglement” cho mối liên hệ giữa các hệ lượng tử từng tương tác rồi tách ra. Tiếng Việt gọi là rối lượng tử hoặc vướng víu lượng tử.

Rối lượng tử có truyền tin tức thời được không?

Không. Người đo một hạt không chọn được kết quả của hạt kia theo ý mình, nên không đặt được thông điệp vào đó.

Rối lượng tử dùng để làm gì?

Một cặp hệ rối có thể làm kênh thông tin lượng tử cho một số việc tính toán và mật mã mà hệ cổ điển không làm được.

Hai hạt rối có giống hai viên bi-a va chạm không?

Giống ở chỗ kết quả có thể liên hệ với nhau. Nhưng tương quan cổ điển kiểu bi-a chưa giải thích được các tương quan vi phạm giới hạn Bell khi đổi cách đo.

Tóm tắt

• Rối lượng tử là mối liên hệ giữa các hệ lượng tử từng tương tác hoặc được chuẩn bị chung.
• Dự đoán chắc chắn chỉ đúng với trạng thái và cách đo thích hợp, như ví dụ EPR lý tưởng.
• Sự khớp nhau đó không cho phép người đo chọn kết quả của hạt kia, nên không gửi tin được.