Từ con mèo của Schrödinger đến công nghệ lượng tử

Trong một bài viết mang tính đột phá được đăng trên tạp chí Science, TS Marlan Scully thuộc Đại học Texas A&M cho biết, cơ học lượng tử ban đầu được hình thành để giải thích hành vi của các hạt nhỏ bé. Giờ đây, nó đang thúc đẩy những đổi mới mà trước đây là điều không thể tưởng tượng nổi.

Một trong những minh họa nổi tiếng nhất về cơ học lượng tử xuất hiện vào năm 1935, khi Erwin Schrödinger đề xuất nghịch lý con mèo. Thí nghiệm tưởng tượng này cho rằng, một con mèo có thể tồn tại ở trạng thái vừa sống vừa chết cho đến khi được quan sát. Schrödinger đưa ra ý tưởng này để làm nổi bật sự kỳ lạ của lý thuyết lượng tử.

Ngày nay, những khái niệm từng được coi là kỳ lạ đó đã vượt xa khỏi phạm vi các cuộc tranh luận triết học và trở thành nền tảng của điện toán lượng tử, mật mã lượng tử và thậm chí cả việc phát hiện sóng hấp dẫn.

Những nền tảng của cơ học lượng tử được xây dựng bởi các nhà tiên phong như Schrödinger và Werner Heisenberg. Họ đã phát triển hai phương pháp toán học khác nhau, cơ học sóng và cơ học ma trận, để mô tả các hệ thống lượng tử.

Theo thời gian, các phương pháp này đã được thống nhất và góp phần vào sự phát triển của lý thuyết trường lượng tử, giải thích cách các hạt tương tác thông qua lực điện từ và lực hạt nhân.

Công trình của họ đã mở rộng mô hình nguyên tử ban đầu của Niels Bohr, mô tả các electron quay quanh hạt nhân giống như các hành tinh quay quanh mặt trời. Mặc dù những khám phá sau này đã tinh chỉnh hình ảnh đó, mô hình của Bohr đã giúp mở đường cho lý thuyết lượng tử hiện đại.

Sự kết hợp lượng tử tạo ra nhiều đột phá

Một trong những khái niệm quan trọng nhất trong cơ học lượng tử là tính kết hợp lượng tử. Hiện tượng này cho phép các hạt như nguyên tử và photon duy trì trạng thái liên kết phối hợp, ngay cả ở khoảng cách đáng kể.

Những hiệu ứng này tạo thành nền tảng của các hệ thống mã hóa lượng tử và cải thiện độ nhạy của các thiết bị tinh vi như Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế laser (LIGO), thiết bị phát hiện những gợn sóng nhỏ trong không thời gian.

Hiện tượng liên kết lượng tử đã trực tiếp dẫn đến sự phát triển của tia laser, một công nghệ mà nhiều người từng tin rằng không bao giờ có thể hoạt động được.

Ngày nay, tia laser được sử dụng rộng rãi, từ máy quét mã vạch ở siêu thị đến các thủ thuật điều chỉnh thị lực và các dụng cụ khoa học tiên tiến.

Một trong những ứng dụng đáng ngạc nhiên hơn của vật lý lượng tử liên quan đến động cơ nhiệt lượng tử.

Các động cơ truyền thống bị giới hạn bởi định luật Carnot xác định hiệu suất tối đa cho phép theo nhiệt động lực học cổ điển.

Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng bằng cách khai thác tính kết hợp lượng tử, có thể tạo ra các động cơ vượt quá giới hạn cổ điển đó.

Ảnh hưởng của cơ học lượng tử hiện nay đã vượt xa lĩnh vực vật lý. Trong sinh học, các kỹ thuật như quang phổ Raman kết hợp cho phép các nhà nghiên cứu kiểm tra virus và các cấu trúc khác ở cấp độ nano, cung cấp những hiểu biết quý giá về thế giới vi mô.

Các ý tưởng lượng tử cũng đang định hình những nỗ lực để hiểu về chính vũ trụ. Các nhà khoa học nghiên cứu các khái niệm như lý thuyết dây và hấp dẫn lượng tử đang cố gắng dung hòa cơ học lượng tử với thuyết tương đối của Einstein, một trong những vấn đề chưa được giải quyết trong vật lý hiện đại.

Các nhà nghiên cứu thậm chí còn đang áp dụng các khái niệm lượng tử vào thách thức lâu đời là hiểu về hiện tượng nhiễu loạn. Chuyển động hỗn loạn của không khí và chất lỏng ảnh hưởng đến các hình thái thời tiết, hệ thống khí hậu và hiệu suất của máy bay.

Thế kỷ tiếp theo của khám phá lượng tử

Mặc dù đã đạt được những thành công trong suốt một thế kỷ, cơ học lượng tử vẫn tiếp tục đặt ra những câu hỏi sâu sắc.

Liệu lực hấp dẫn có thể được lượng tử hóa (tức là, lực hấp dẫn có hoạt động giống như các lực khác ở cấp độ lượng tử)? Máy tính lượng tử có thể làm thay đổi y học và khoa học vật liệu không? Những hiểu biết mới nào về vũ trụ có thể xuất hiện từ các công nghệ lượng tử trong tương lai?

TS Marlan Scully tin rằng cuộc tìm kiếm câu trả lời chỉ mới bắt đầu. "Vào đầu thế kỷ 20, nhiều người cho rằng vật lý đã hoàn thiện. Giờ đây, trong thế kỷ 21, chúng ta biết rằng cuộc phiêu lưu chỉ mới bắt đầu."