Định hướng lượng tử – một hiện tượng kỳ lạ, phi cục bộ tương tự như rối lượng tử – không thể được sao chép hoàn hảo bởi bất kỳ hoạt động chung nào giữa hệ thống được định hướng và hệ thống bên ngoài. Định lý “không nhân bản” mới này là kết quả công việc của các nhà nghiên cứu ở Trung Quốc, những người đã nghiên cứu tình huống phát sinh khi một trong hai bên chia sẻ trạng thái lượng tử không tin tưởng vào nguồn hạt lượng tử được sử dụng để tạo ra trạng thái đó. Ngoài tầm quan trọng đối với vật lý cơ bản, phát hiện này có thể có ý nghĩa đối với mật mã lượng tử và điện toán lượng tử.
Máy tính thông thường lưu trữ thông tin dưới dạng “bit” có giá trị là 1 hoặc 0. Ngược lại, máy tính lượng tử lưu trữ thông tin trong các hệ thống lượng tử hai cấp chẳng hạn như trạng thái phân cực ngang và dọc của photon hoặc trạng thái “spin up” và “ trạng thái spin down của các electron. Trạng thái của các bit lượng tử hay qubit này không bị giới hạn ở 0 và 1; chúng cũng có thể tồn tại trong một sự kết hợp trung gian được gọi là sự chồng chất. Tuy nhiên, không bao giờ có thể biết đầy đủ trạng thái hoàn chỉnh của một hệ lượng tử, nghĩa là việc sao chép hoàn hảo các qubit bị cấm. Đây được gọi là định lý “không nhân bản” và nó tạo thành nền tảng của mật mã lượng tử.
Một nguyên tắc quan trọng khác là hai hoặc nhiều qubit có thể trở nên vướng víu, nghĩa là chúng có mối quan hệ gần gũi hơn nhiều so với mức cho phép của vật lý cổ điển. Khi hai qubit bị vướng víu, việc đo trạng thái của một trong số chúng sẽ tự động cho bạn biết trạng thái của qubit thứ hai, bất kể chúng có thể cách nhau bao xa. Ví dụ, nếu bạn biết spin của một hạt, bạn có thể xác định spin của hạt kia.
Albert Einstein nhận thấy khía cạnh này của sự vướng víu là đáng lo ngại, vì nó ngụ ý rằng các hạt bị vướng víu có thể ảnh hưởng đến trạng thái của nhau theo cách không cục bộ – thứ mà ông gọi là "tác động ma quái ở khoảng cách xa". Trong một bài báo xuất bản năm 1935, ông và các đồng nghiệp của mình là Boris Podolsky và Nathan Rosen đã lập luận chống lại hình thức phi địa phương này, và nó được gọi là nghịch lý EPR sau tên viết tắt của họ. Tuy nhiên, nghiên cứu sau đó cho thấy lập luận của họ là không chính xác: Giải Nobel Vật lý năm 2022 đã đi đến một bộ ba nhà thực nghiệm, dựa trên công trình của nhà lý thuyết quá cố John Stewart Bell, đã chứng minh rằng sự vướng víu (và do đó không định xứ) thực sự là một phần của thế giới vật chất của chúng ta.
“Nguyên tắc chỉ đạo không nhân bản”
Tuy nhiên, vướng víu lượng tử không phải là dạng phi định xứ duy nhất trong lý thuyết lượng tử. Một loại khác, được gọi là định hướng lượng tử, lần đầu tiên được giới thiệu bởi Erwin Schrödinger như một sự khái quát hóa của nghịch lý EPR. Trong rối lượng tử, hai bên tham gia vào một giao dịch lượng tử (thường được gọi là Alice và Bob), cả hai đều tin tưởng nguồn hạt lượng tử được sử dụng để tạo ra các trạng thái tương ứng của chúng. Định hướng lượng tử giới thiệu sự bất đối xứng cho thiết lập này: giờ đây chỉ có một nguồn (ví dụ của Alice) là đáng tin cậy. Điều này cho phép Alice “điều khiển” trạng thái của các hạt mà Bob quan sát được, có nghĩa là các phép đo mà cô ấy thực hiện trên một nửa cặp hạt vướng víu của mình ảnh hưởng đến trạng thái của một nửa Bob theo cách không thể giải thích theo cách cổ điển.
“Nguyên tắc chỉ đạo không nhân bản” được thể hiện trong tác phẩm mới làm tăng thêm hiểu biết của chúng ta về hình thức phi địa phương này. “Định lý không sao chép ban đầu nói rằng không có hoạt động vật lý nào có thể sao chép hoàn hảo một trạng thái lượng tử chưa biết,” giải thích Zhang Fu-Lin, người đã lãnh đạo một nhóm các nhà nghiên cứu tại Khoa Vật lý tại Đại học Thiên Tân và Viện Toán học Chern tại Đại học Nam Khai. “Phát hiện của chúng tôi chỉ ra rằng cơ chế định hướng lượng tử ở một trạng thái đã biết không thể được sao chép hoàn hảo nếu trạng thái đó là 'quá lượng tử'."
Alain Aspect, John Clauser và Anton Zeilinger giành giải Nobel Vật lý 2022
Các nhà nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng một loại tương quan lượng tử có liên quan chặt chẽ được gọi là chỉ đạo EPR có thể được nhân bản một phần. Định hướng EPR tồn tại ở các trạng thái có thể được sử dụng để chứng minh một cách thuyết phục định hướng lượng tử ngay cả khi người quan sát trạng thái định hướng không tin tưởng vào máy đo. Do đó, nó có thể được coi là một thuộc tính lượng tử “mạnh hơn” so với định hướng lượng tử, Zhang giải thích. “Trong các nhiệm vụ thông tin lượng tử giữa Alice và Bob bị tấn công bởi bên thứ ba, 'Charlie', sử dụng máy nhân bản, kết quả của chúng tôi đặt ra các ngưỡng đối với việc điều khiển EPR giữa Alice và Bob để loại trừ việc điều khiển EPR giữa Alice và Charlie,” ông nói Thế giới vật lý.
“Việc không nhân bản của định hướng lượng tử là hệ quả của sự chồng chất lượng tử, cũng như các định lý không sao chép và không đi ban đầu,” ông nói thêm, “và bằng chứng của chúng tôi dựa trên cái gọi là định lý không phát sóng, đó là một hệ thống không nhân bản mở rộng của các trạng thái 'hỗn hợp' (trong các hệ thống tổng hợp).
Các nhà nghiên cứu hiện đang kiểm tra xem mức độ “lượng tử” ảnh hưởng đến các định lý bất di bất dịch khác như thế nào. Zhang tiết lộ: “Chúng tôi đang nghiên cứu các giao thức chia sẻ tính phi định xứ và các loại thông tin lượng tử khác giữa nhiều người quan sát trong khuôn khổ nhân bản lượng tử. “Chủ đề chia sẻ thông tin và phi định xứ như vậy là cơ bản trong khoa học thông tin lượng tử.”
Công việc được trình bày chi tiết trong Chữ cái Vật lý Trung Quốc.
