Khi thí nghiệm 'con mèo vừa sống vừa chết' góp phần vào cách mạng công nghệ lượng tử

11 giờ trướcBài gốc

Theo Live Science, ngày này được chọn vì con số 4,14 tương ứng với ba chữ số đầu tiên của hằng số Planck - một trong những giá trị cốt lõi của vật lý lượng tử.

Vật lý lượng tử nghiên cứu các hạt cực nhỏ như nguyên tử, electron, photon (hạt ánh sáng) và các hạt hạ nguyên tử khác. Ở cấp độ này, thế giới vận hành theo những quy luật rất khác biệt so với những gì chúng ta thấy bằng mắt thường. Nếu vật lý cổ điển chi phối chuyển động của quả bóng hay ô tô, thì vật lý lượng tử kiểm soát hành vi của từng hạt nhỏ nhất trong vũ trụ.

Trong số những hiện tượng kỳ lạ và hấp dẫn nhất của cơ học lượng tử, chồng chập lượng tử nổi bật như một mảnh ghép kỳ diệu giúp giải mã tiềm năng của máy tính lượng tử – công nghệ có thể thay đổi mọi ngành công nghiệp.

Vật lý lượng tử, lĩnh vực then chốt định hình công nghệ tương lai - Ảnh: Getty

Chồng chập lượng tử

Trong thế giới thường nhật, một sự vật chỉ có thể ở một trạng thái tại một thời điểm - bóng đèn hoặc bật hoặc tắt, một con mèo hoặc sống hoặc chết. Nhưng trong thế giới lượng tử, một hạt có thể ở nhiều trạng thái cùng một lúc cho đến khi nó được quan sát. Đó chính là hiện tượng chồng chập.

Hãy nghĩ về một đồng xu đang xoay tít trong không trung. Khi chưa rơi xuống, nó không hẳn là ngửa hay sấp, mà là cả hai cùng lúc. Chỉ khi nó chạm đất, ta mới biết kết quả. Các hạt lượng tử cũng vậy - chúng tồn tại trong một trạng thái “ma thuật” gọi là chồng chập, được mô tả bởi hàm sóng cho biết khả năng xảy ra của từng trạng thái. Khi chưa có ai quan sát, hạt đó tồn tại trong trạng thái chồng chập - là sự kết hợp của mọi khả năng có thể xảy ra. Chỉ khi được đo đạc, trạng thái chồng chập “sụp đổ” và hạt mới “chọn” một kết quả cụ thể.

Con mèo của Schrodinger

Để minh họa hiện tượng kỳ lạ này, nhà vật lý Erwin Schrodinger đã đưa ra thí nghiệm tưởng tượng nổi tiếng: đặt một con mèo vào hộp kín cùng với một cơ chế phóng xạ có 50% khả năng phát nổ. Nếu cơ chế này hoạt động, con mèo sẽ chết - nếu không, nó vẫn sống. Nhưng vì không ai biết chuyện gì đang xảy ra trong hộp, con mèo được xem là vừa sống vừa chết - tức đang ở trạng thái chồng chập.

Chỉ khi mở nắp hộp và quan sát, trạng thái này mới “ổn định” về một khả năng - hoặc sống, hoặc chết. Dù không phải là thí nghiệm thực tế, ví dụ này nêu bật bản chất kỳ lạ nhưng có thật của cơ học lượng tử.

Chồng chập lượng tử không chỉ là lý thuyết. Nó đã được chứng minh bằng hàng loạt thí nghiệm, trong đó nổi tiếng nhất là thí nghiệm khe đôi. Khi các photon được bắn qua một tấm chắn có hai khe hở, nếu không bị quan sát, chúng tạo ra mẫu giao thoa như sóng nước - như thể mỗi hạt đi qua cả hai khe cùng lúc và giao thoa với chính nó.

Nhưng khi đặt thiết bị đo để xem hạt đi qua khe nào, hành vi giao thoa biến mất. Hạt dường như chọn một khe để đi qua, và mẫu sóng biến thành hai dải đơn thuần. Điều này chứng minh việc quan sát làm sụp đổ trạng thái chồng chập.

Ngoài photon, các nhà khoa học còn quan sát chồng chập ở ion, phân tử lớn và thậm chí trong chất diệp lục - nơi cây xanh sử dụng hiệu ứng lượng tử để thu nhận ánh sáng mặt trời hiệu quả hơn.

Vai trò trong máy tính lượng tử

Chồng chập lượng tử không chỉ là một hiện tượng thú vị - nó là nền tảng cho sức mạnh vượt trội của máy tính lượng tử.

Máy tính truyền thống xử lý dữ liệu bằng bit - mỗi bit chỉ có thể là 0 hoặc 1. Trong khi đó, máy tính lượng tử sử dụng qubit - có thể là 0, 1, hoặc trạng thái chồng chập của cả hai. Điều này có nghĩa là chỉ với ba qubit, bạn có thể đồng thời xử lý cả 8 tổ hợp từ 000 đến 111, trong khi máy tính cổ điển phải xử lý từng tổ hợp một.

Càng nhiều qubit, sức mạnh tính toán càng tăng theo cấp số nhân. Một máy tính lượng tử đủ mạnh có thể giải các bài toán mà siêu máy tính ngày nay phải mất hàng triệu năm để hoàn thành - trong vài giây.

Nhờ chồng chập và các hiện tượng lượng tử khác như vướng víu, máy tính lượng tử được kỳ vọng sẽ cách mạng hóa nhiều lĩnh vực như dược phẩm (mô phỏng phân tử để phát hiện thuốc mới nhanh và chính xác hơn), khí hậu học (mô hình hóa biến đổi khí hậu với độ chính xác cực cao), tài chính (tối ưu hóa danh mục đầu tư, phân tích rủi ro theo thời gian thực), và vật liệu học (thiết kế vật liệu siêu dẫn và siêu bền ở cấp độ nguyên tử).

Tuy nhiên, công nghệ này vẫn đang trong giai đoạn phát triển, với nhiều thách thức kỹ thuật cần vượt qua để xây dựng máy tính lượng tử ổn định và mở rộng.

Chồng chập lượng tử, dù là một khái niệm khó hình dung, lại là mảnh ghép then chốt mở ra cánh cửa tương lai của điện toán và khoa học vật lý. Vào Ngày Lượng tử thế giới 2025, chúng ta không chỉ kỷ niệm sự tiến bộ trong nghiên cứu hạ nguyên tử, mà còn nhìn thấy rõ hơn tiềm năng của một kỷ nguyên mới - nơi mà những gì tưởng chừng bất khả thi lại trở thành hiện thực nhờ vào sự “chồng chập” kỳ diệu của tự nhiên.

Hoàng Vũ

Nguồn Một Thế Giới : https://1thegioi.vn/khi-thi-nghiem-con-meo-vua-song-vua-chet-gop-phan-vao-cach-mang-cong-nghe-luong-tu-231582.html