ER = EPR (Hình học và Rối lượng tử)

by , under Uncategorized

ER = EPR

HAY LÀ CUỘC ĐI TÌM MỐI LIÊN HỆ GIỮA TƯƠNG ĐỐI VÀ LƯỢNG TỬ

Bản thân Einstein đã là một hiện tượng phi thường: tôi nghĩ chúng ta sẽ không bao giờ thăm dò hết được chiều sâu trí tuệ của ông. Có bao giờ ông ấy nghĩ ER=EPR không nhỉ? Ai biết được? Nhưng điều rất rõ ràng là phần còn lại của cộng đồng vật lý đã coi hai ý tưởng là hoàn toàn tách biệt.

Leonard Susskind, Nature, December 15, 2022[1]

Vật lý lý thuyết có rất nhiều ý tưởng gây kinh ngạc, nhưng hai trong số những ý tưởng kỳ lạ nhất là rối lượng tử và lỗ sâu. Ý tưởng đầu tiên, được dự đoán bởi lý thuyết cơ học lượng tử, mô tả một kiểu tương quan đáng ngạc nhiên giữa các vật thể (thường là các nguyên tử hoặc hạt hạ nguyên tử) không có liên kết vật lý rõ ràng nào với nhau. Trong khi đó, lỗ giun, được dự đoán bởi thuyết tương đối rộng, là những đường tắt kết nối các vùng không gian và thời gian xa xôi với nhau. Các công trình được thực hiện bởi một số nhà lý thuyết, bao gồm cả tôi, đã gợi ý một mối liên hệ giữa hai khái niệm dường như không có gì giống nhau này. Dựa trên các tính toán liên quan đến lỗ đen, chúng tôi nhận ra rằng sự vướng víu của cơ học lượng tử và lỗ sâu của thuyết tương đối rộng thực sự có thể tương đương nhau – cùng một hiện tượng được mô tả theo những cách khác nhau – và chúng tôi tin rằng sự giống nhau này áp dụng cho các tình huống vượt xa hơn lỗ đen.

Juan Maldacena, Scientific American, November 1, 2016[2]

***

Lời nói đầu. Cũng như bài viết trước Cuộc cách mạng toàn ảnh, bài này đề cập đến hai hiện tượng vật lý quan trọng ER và EPR được Einstein và các cộng sự của ông khám phá năm 1935, và mối tương quan có tồn tại hay không của chúng, với mục đích trước nhất làm một hồ sơ. Nhưng cũng có thêm một Denkanstoβ nhất định khiến tôi tò mò. Đó là đầu tháng 12, 2022, nhiều tờ báo lớn của thế giới trong đó có NatureThe New York Times đã công bố kết quả của một thí nghiệm rất “nhân tạo” của một nhóm vật lý 8 người từ CalTech, MIT, Harvard và Fermilab, thông báo rằng họ đã “tạo ra một lỗ sâu toàn ảnh trong một máy tính lượng tử của Google”. Dụng ý của thí nghiệm này là tìm cách tiếp cận mối quan hệ giữa ER và EPR mà một số nhà vật lý lý thuyết cho rằng có thể đúng, và mối quan hệ đó là mấu chốt của hấp dẫn lượng tử. Tám người này làm tôi liên tưởng ngay đến “Tám tên phản bội” ở Thung lũng Silicon, đã rời bỏ công ty của chủ mình để ra riêng thành lập công ty chip cạnh tranh, bởi vì họ muốn được tự do và sáng tạo. Nhưng ở đây, thay vào đó, tám nhà khoa học đã bị “ném đá”, bị cho rằng họ chỉ tạo ra “bullshit”, “nonsense” hay “stunt”, chiêu trò quảng cáo. Tôi đã đọc khá nhiều bài báo cáo liên quan, nhưng vất vả để tìm được ngay sợi chỉ đỏ xuyên suốt. Bài báo của tám nhà khoa học trên một mạng của CalTech sau đó giúp tôi nhiều hơn. Nhưng phải đợi một bài báo súc tích và có tính khai sáng mà tôi đã phải nhờ một người bạn (H.K.) của tôi trong diễn đàn Humboldt mua dùm: “A holographic wormhole in a quantum computer”, của hai tác giả Adam R. Brown, một sinh viên postdoc, và Leonard Susskind, một cây đại thụ, tôi mới thấy thoải mái hơn. Đọc xong bài này, tôi cảm thấy hiểu hơn những bài tôi đọc trước đó. Sự nhúng tay của một bậc thầy có khác.

Sự hiểu biết của tôi về thí nghiệm gây tranh cãi này được trình bày trong phần [3]. Nhóm tám người này thật ra không phải hành động riêng lẻ trong cuộc “phiêu lưu” đi tìm các lỗ sâu qua được (transversable wormhole) trên máy tính lượng tử, mà còn có nhiều nhóm khác cũng đang hoạt động với những mục đích tương tự. Trong ngữ cảnh đó, đây là một cuộc chạy đua trong một trào lưu nghiên cứu mới.

Thử nghiệm đầu tiên có thể thành công nhiều hay ít, hay cả thất bại, nhưng chắc chắn sẽ có nhiều thử nghiệm tương tự tinh vi hơn nối tiếp. Chẳng phải Richard Feynman đã từng tiên đoán rằng quyền năng lượng tử (của máy tính) chung cuộc có thể là để nghiên cứu chính vật lý lượng tử hay sao? (New York Times số được trích dẫn dưới đây)

Nhưng dù gì đi nữa, mối liên hệ giữa cấu trúc hình học trong không-thời gian và rối lượng tử là đề tài rất thu hút thể hiện qua hai khái niệm ER và EPR, và cuộc đi tìm dấu vết của nó trong thực nghiệm là điều các nhà khoa học đang nhắm tới. Người ta đang đi tìm một nguyên lý dẫn dắt, một chìa khóa để có thể đưa nghiên cứu đến bờ xa hơn cho tính thống nhất của vũ trụ, điều mà các thế hệ trước đã thất bại. Tương đối và lượng tử có lẽ chỉ mới là buổi bình minh của một giai đoạn phát triển rực rỡ mới, của “vật lý mới” (new physics).

Tôi cũng mong có hận được ý kiến xây dựng từ độc giả và nhiều bài viết hơn để có thêm sự sáng tỏ và đa dạng.

Lời quê chắp nhặt dông dài

Mua vui cũng được một vài trống canh

(Nguyễn Du)

Nguyễn Xuân Xanh

 

[1]

HAI KHÁM KỲ LẠ NĂM 1935

EPR (Einstein-Podolsky-Rosen). Tháng 5 năm 1935, một công trình chung của Einstein và hai đồng nghiệp Podolsky và Rosen mang tên Nghịch lý EPR, ra đời với mục đích phản biện tính chưa đầy đủ của cơ học lượng tử trong việc mô tả thực tại. Theo EPR, hai hạt tiếp xúc với nhau một lần, vẫn tiếp tục vướng víu nhau và “thông tin nhau” dù chúng xa cách hàng tỷ năm ánh sáng. Một sự đo đạc ở một hạt “báo” cho hạt kia biết một cách tức thì để ảnh hưởng hành vi của hạt kia trong khuôn khổ hệ thống lượng tử của hai hạt. Einstein cho rằng điều đó không thể xảy ra được, thông tin không thể chuyển đi nhanh hơn ánh sáng. Einstein gọi đó là “Tác dụng ma quái từ xa” (spooky action at a distance hay spukhafte Fernwirkung). Hiệu ứng đó được gọi là vướng víu hay rối lượng tử (quantum entanglement). Rối lượng tử là một đặc tính lạ lùng của các hệ lượng tử cho phép chúng kết nối nhau bằng một dạng tương quan (correlation) không phải cổ điển, ngay cả khi chúng đã tách nhau xa, và tương quan đó không thể dựa trên thông tin di chuyển với vận tốc ánh sáng.

Einstein lúc đầu không tin, cho rằng có những biến số ẩn bên trong hệ thống điều khiển sự vướng víu. Nhưng bằng một định lý được tạo ra, nhà vật lý John Bell đã bác bỏ điều đó một cách thuyết phục. Tác dụng ma quái từ xa là có thật. Kết quả đo đạt ở một hạt sẽ cho ra tức thì kết quả về trạng thái của hạt vướng víu của nó, dù có thể xa nhau hằng nghìn năm ánh sáng đi nữa. Tác dụng ma quái này giống như chuyện thần giao cách cảm trong dân gian.[3] Điều ngạc nhiên, máy tính lượng tử của thế kỷ 21 lại được xây dựng trên hiệu ứng kỳ lạ EPR này.

Giải Nobel vật lý năm 2022 được trao cho các nhà vật lý đã kiểm tra tính phi-cục bộ (non-locality) của EPR (John F. Clauser và Alain Aspect) cũng như khả năng truyền tin lượng tử mà không sợ bị hacked (Anton Zeilinger), dựa trên hiệu ứng EPR.

Center for Jewish History on Twitter: "From the collection of @lbinyc is a photo of Albert Einstein smoking a pipe, circa 1930. Einstein was born in Ulm, Germany in 1879. He developed NathanRosen.jpg https://upload.wikimedia.org/wikipedia/ru/f/f2/Boris_Podolsky.jpg

Albert Einstein, Nathan Rosen, và Boris Podolsky

ER (Einstein-Rosen). Tháng 7 cùng năm, Einstein và đồng nghiệp Nathan Rosen, nghiên cứu lỗ đen trong khuôn khổ của thuyết tương đối rộng, và đi đến một khám phá lạ mắt. Mỗi lỗ đen có một vùng trong, từ đó không có gì có thể thoát khỏi nó, và vùng ngoài, một sự chạy thoát là có thể, và hai vùng được tách ra bởi một vùng gọi là chân trời sự kiện (event horizon). Einstein và Rosen nhận thấy, không phải có một, mà hai vùng ngoài, và chúng được nối với nhau bằng một loại đường tắt (shortcut) gọi là cầu Einstein-Rosen mà sau này, năm 1957, John Wheeler gọi là wormhole, “lỗ sâu” hay “lỗ giun”.

Minh họa một lỗ sâu hay cầu Einstein-Rosen nối liền hai lỗ đen

(Gubser & Pretorius, The Little Book of Black Holes)

Nhưng đó không phải là cầu bình thường. Nó không cho phép bạn đi qua được, hay thậm chí cho phép bạn sẽ nhanh chóng xuất hiện tại một thế giới hoàn toàn khác, có thể gặp lại quá khứ của chính bạn không chừng, như các nhà khoa học viễn tưởng mơ ước. Theo phiên bản của Einstein và Rosen, người ta không thể đi qua lỗ sâu từ vùng ngoài này sang vùng ngoài khác. Nó chỉ cho phép Romeo và Juliet, mỗi người nhảy vào một đầu của lỗ đen, rồi họ có thể gặp nhau ngắn ngủi đâu đó ở khoảng giữ bên trong, trước khi chết.

Xem: John Wheeler viết về Albert Einstein

Nhưng lỗ sâu có thật tồn tại thực hay không, đó là vấn đề còn tiếp tục bàn cãi. Những ai hoài nghi về lỗ sâu tin rằng sau một thời gian ngắn, phần giữa của nó sẽ sụp đổ dưới lực hấp dẫn của chính nó, trừ khi nó có một lực nào đó đẩy ra từ bên trong nó để chống lại. Cách khả thi nhất là sử dụng cái gọi là “năng lượng âm”, thứ sẽ chống lại lực hấp dẫn và giữ lỗ sâu ổn định để nó tồn tại. Nhưng trong vật lý hiện đại, lắm lúc có những chân lý đầu tiên xem chừng như phi lý, chẳng ai dám tin, thì cuối cùng lại là sự thật. Chúng ta hãy nhìn lại lịch sử của lỗ đen. Nó được nhà vật lý Đức Karl Schwarzschild khám phá chỉ một năm sau khi Einstein hoàn tất các các phương trình trường của mình. Tuy nhiên các nhà vật lý lúc bấy giờ, kể cả Einstein, không tin điều đó. Phải mất 50 năm người ta mới bắt đầu xem trọng lỗ đen – thuật ngữ thậm chí cho đến năm 1967 mới được John Wheeler đặt ra. Xem thêm ở đây[4]. Ngày 11-2-2016 máy dò LIGO ở Mỹ bắt được sóng hấp dẫn từ sự chạm nhau của hai lỗ đen đã diễn ra cách đây hàng tỷ năm ánh sáng, gây ra một sensation trên toàn thế giới.

 

Einstein Rosen bridge | De Vos

Ảnh minh họa một lỗ sâu nối liền hai thiên hà, hay lỗ đen, hoặc hai hạt vướng víu (ảnh trên mạng)

 

[2]

TƯƠNG QUAN ER = EPR

Vào thời Einstein, không ai nghĩ ngợi về một sự liên hệ giữa hai thực thể ER và EPR còn rất mới mẻ và xa lạ, có lẽ trừ Einstein, người đang đi tìm thuyết trường thống nhất. Nhưng mối quan hệ giữa chúng dần dần đã trở thành tâm điểm để hiểu hấp dẫn lượng tử (quantum gravity).

Mười năm sau, 2013, hai nhà vật lý Leonard Susskind ở Đại học Stanford và Juan Maldacena ở Viện Nghiên cứu Cao cấp (IAS) Princeton trong nghiên cứu của mình về nghịch lý tường lửa lỗ đen, đã đi đến đề xuất, rằng hai hiện tượng này – vướng víu lượng tử và lỗ sâu – thật ra có thể là hai mặt của cùng một đồng tiền, nghĩa là ER=EPR. Chúng là đối ngẫu của nhau, duality, một bên là lỗ giun liên quan đến cấu trúc không-thời gian, một bên là vướng víu lượng tử. Nó tương tự như duality của hạt photon của ánh sáng, khi thì xuất hiện ở dạng hạt, khi thì ở dạng sóng.

Các lỗ sâu vốn là kết quả trực tiếp của thuyết tương đối rộng, nhưng Maldacena và Susskind đã chỉ ra rằng lỗ sâu cũng có thể còn là hệ quả của cơ học lượng tử. Giữa hai hạt vướng víu có thể có một một lỗ sâu bé tí, cỡ thang Planck, kết nối chúng với nhau một cách bí mật. Rộng ra hơn, hai lỗ đen thực sự có thể trở nên vướng víu và thông qua đó tạo ra một lỗ sâu đục. Nghĩa là lượng tử (EPR) tồn tại là nhờ có cấu trúc không-thời gian đặc biệt của wormhole.

Năm 2003, Maldacena nghiên cứu một dạng vướng víu đặc biệt liên quan đến hai tập hợp hạt, trong đó mỗi hạt trong tập hợp này bị vướng víu với một hạt trong tập hợp kia. Maldacena đã chứng minh rằng trạng thái này về mặt toán học là đối ngẫu với một hologram (ảnh toàn ký) khá kịch tính: một cặp lỗ đen trong không gian AdS có các phần nội kết nối nhau thông qua một lỗ sâu.[5] (Xem Cuộc cách mạng toàn ảnh trong bài trước)

Social Media Love for Susskind on Future Talk | Midpen Media Center Juan Martin Maldacena - Infobae

Leonard Susskind và Juan Maldacena

Về tương đương trên, năm 2015 Maldacena viết [6]:

Sự tương đương này tạm thời chỉ có có thể chứng minh chặt chẽ trong một vài trường hơp cụ thể, nhưng có lẽ nó đúng trong trường hợp tổng quát. Ý tưởng của chúng tôi về mối liên hệ giữa hình học và rối lượng tử có thể là một nguyên tắc mà tất cả lý thuyết lượng tử của không-thời gian, hay hấp dẫn lượng tử, đều phải tuân theo. Nguyên tắc này có những hệ quả quan trọng. Thậm chí, một cách nào đó, có thể chính không-thời gian cũng hiện ra như kết quả của rối lượng tử của những thành phần vi mô cơ bản nhất của thế giới. (nghiêng của tôi)

Mở ngoặc: Tương đối rộng trên không gian năm-chiều với một hằng số vũ trụ học âm là đối ngẫu với thuyết lượng tử trên vùng biên bốn-chiều của không-thời gian. Giống như một thuyết lượng tử là hình chiếu của thuyết tương đối rộng! (Gubser & Pretorius, A little book of black holes, 172)

Người ta hy vọng, giả thuyết ER=EPR có thể giúp xây dựng một lý thuyết hấp dẫn lượng tử (quantum gravity) khả dĩ mô tả đầy đủ các lỗ đen bí hiểm, và các mặt khác liên quan cơ học lượng tử và thuyết tương đối rộng. Nhà vật lý MIT Julian Sonner nói: “Người ta đã đề xuất nhiều cách khác nhau trong đó sự vướng víu thực sự có thể được sử dụng để làm xuất hiện hình học của không-thời gian do Einstein tiên đoán, do đó độ cong có liên quan đến sự vướng víu, cái thực sự làm nền tảng cho tất cả.”[7]

Một công trình độc lập khác của nhà vật lý Mark van Raamsdonk của Đại học British Columbia cũng gợi ra rằng không gian tồn tại là nhờ những sự kết nối vướng víu lượng tử, vướng víu càng nhiều, không gian càng bền chặt, và ngược lại, vướng víu càng lỏng lẻo thì không gian càng yếu ớt có nguy cơ tan rã.

Nếu hai phần của vũ trụ vướng víu càng nhiều với nhau, chúng sẽ tiến gần hơn làm thành một khối. Và nếu ngược lại, không gian sẽ tan rã. (Courtesy of Mark van Raamsdonk & George Musser, trong Spooky action at a distance.) Điều này cũng có thể hiểu một cách tương tự cho xã hội: càng có nhiều “vướng víu” là các sinh hoạt dân sự kết nối nhau dưới muôn vàn hình thức, xã hội càng bền chặt.

Một lần nữa, chúng ta hãy nghe Juan Maldacena đánh giá về mối liên hệ: “Dù ta còn chưa biết mô tả những hình học vi mô đó như thế nào, ý tưởng của chúng tôi là mối liên hệ ER=EPR cho ta một nguyên lý mà tất cả các lý thuyết hấp dẫn lượng tử phải tuân theo. Lý thuyết lượng tử hấp dẫn được nghiên cứu nhiều nhất là lý thuyết dây. Trong lý thuyết dây, mối liên hệ ER=EPR có thể được chứng minh một cách chặt chẽ trong một số trường hợp mà sự rối lượng tử có một dạng nhất định, tuy nhiên hiện nay chưa có sự đồng thuận là mối liên hệ này được thoả mãn trong tất cả các trường hợp.” (trong bài báo nói trên)

[3]

ER = EPR THỰC NGHIỆM

Tạo “lỗ sâu” trong máy tính lượng tử năm 2022

Con đường đi tìm dấu vết của sự liên kết giữa ER và EPR trong không-thời gian thực là công việc vô cùng khó khăn. Lỗ sâu trong tự nhiên có thể lắm tồn tại từ thời Big Bang rồi lang thang trong vũ trụ mà ta chưa biết, và hy vọng ngày nào đó sẽ quan sát thấy chúng. Còn việc con người tạo ra một lỗ sâu thực trong phòng thí nghiệm của thế giới thực là một bài toán rất khó. Cần phải có ít nhất đủ năng lượng âm để chống đỡ lỗ sâu không bị sập bởi lực hấp dẫn bên trong. Nhưng khó mà có loại năng lượng này với số lượng lớn để giữ vững lỗ đen tồn tại lâu dài.

Phát triển một lý thuyết hấp dẫn lượng tử cho vũ trụ của chúng ta là một trong những vấn đề mở lớn nhất trong vật lý học. Cho nên một số các nhà vật lý thực nghiệm mong muốn máy tính lượng tử có thể giúp phát triển cái đó trong những vũ trụ ‘đồ chơi’ này, hy vọng đây là một bước hướng tới việc khám phá các ý tưởng về vũ trụ trừu tượng trong đó lực hấp dẫn và cơ học lượng tử dường như phối hợp hài hòa với nhau.

Thí nghiệm lỗ sâu toàn ảnh trên máy tính lượng tử. Cuối tháng 11, đầu tháng 12, một nhóm vật lý gia do bà Maria Spiropulu của Viện CalTech dẫn đầu, tuyên bố vừa tạo ra một lỗ sâu dạng toàn ảnh trong máy tính lượng tử, để tiếp cận hệ thức ER = EPR, được công bố trên Nature, New York Times, Scientific American và nhiều báo mạng khác. Tin này gây xôn xao trong dư luận, đồng thời cũng gây ra những ý kiến trái chiều dữ dội.

Không như trong khoa học viễn như trong các bộ phim như Interstellar hay Star Trek, nơi các lỗ sâu trong vũ trụ đóng vai trò là cổng xuyên không-thời gian để đưa tàu vũ trụ di chuyển qua những khoảng cách không thể tưởng tượng rất dễ dàng, ở thí nghiệm trên, lỗ sâu được thực hiện trong một bộ xử lý của máy tính lượng tử dựa trên mã hóa. Team của Spiropulu làm ra một protocol (giao thức) để cho máy tính lượng tử của Google AI với bộ xử lý Sycamore ở Santa Barbara, California, chạy, mà cái chip của nó lớn bằng khoảng chiếc bánh chưng. Wormhole và cả lỗ đen tất cả đều nằm trong cái bánh chip đó. Những gì họ đã làm là một mô phỏng (simulation). Các nhà vật lý đã mô phỏng một cái gọi là ‘mô hình SYK’, mang tên ba nhà vật lý Subir Sachdev của Harvard, Jinwu Ye của Đại học Bang Mississippi và Alexei Kitaev của Viện công nghệ Caltech.

Ảnh bộ xử lý Sycamore của máy tính lượng tử của Google lớn chiếc bánh chưng to một chút (Quanta magazine)

Các nhà nghiên cứu đã thông báo rằng họ đã tạo ra hai lỗ đen mô phỏng nhỏ trong máy tính lượng tử và đã truyền được một thông điệp giữa chúng thông qua một đường hầm trong không-thời gian mà không bị xáo trộn, đó là một ‘lỗ sâu baby’. Theo họ, lỗ sâu đi qua được đã xuất hiện, căn cứ vào thông tin lượng tử được viễn tải bằng cách sử dụng các mã lượng tử trên bộ xử lý lượng tử với 9 qubits.

Nhóm nghiên cứu đã chèn một bit lượng tử, hay qubit, của thông tin được mã hóa (tượng trưng cho một trạng thái lượng tử), vào một trong hai hệ thống vướng víu – và sau đó xem thông tin xuất hiện từ hệ thống kia. Theo quan điểm của họ, nó giống như qubit hay thông điệp truyền giữa các lỗ đen thông qua một lỗ sâu. Nhà nghiên cứu Samantha Davis của Caltech, một trong những đồng tác giả của nghiên cứu cho biết: “Phải mất một thời gian rất dài để có được kết quả và chúng tôi đã rất ngạc nhiên với kết quả này.”

Nhóm phát hiện ra rằng mô phỏng lỗ sâu cho phép thông tin truyền từ hệ thống này sang hệ thống khác khi áp dụng sóng xung kích (shockwave) năng lượng âm được vi tính hóa, khác với khi áp dụng năng lượng dương. Điều đó phù hợp với những gì các nhà lý thuyết mong đợi từ một lỗ sâu trong thế giới thực.

Nguyên lý toàn ảnh cho thấy lượng thông tin tối đa có thể chứa vừa trong một vùng không tỷ lệ thuận với thể tích của nó, mà với diện tích bề mặt của ranh giới vùng đó, gợi ý về mối quan hệ giữa thông tin lượng tử và thế giới không gian ba chiều trong trải nghiệm hàng ngày của chúng ta. Mối quan hệ này đã được nhà vật lý John Wheeler tóm tắt bằng cụm từ “Nó từ qubit” (It from qubit), mô tả cách vật chất (“nó”) xuất hiện từ thông tin lượng tử (“qubit”). “Thông tin không phải chỉ là cái mà qua đó chúng ta học về thế giới. Nó có thể là cái tạo ra thế giới.” Mỗi vùng của biên giới chứa đựng những thông tin lượng được mã hóa của một vùng trong không-thời gian theo cách vật chất ở mỗi vùng trong không-thời gian có thể được tái tạo từ thông tin lượng tử từ vùng tương ứng ở vùng biên.

Thí nghiệm này có nguồn gốc gợi ý từ hai bài báo trước đó. Năm 2015, Alexei Kitaev đã chỉ ra rằng một hệ động lực học lượng tử đơn giản của các hạt fermion, được gọi là mô hình Sachdev-Ye-Kitaev (SYK), thể hiện một “tính đối ngẫu toàn ảnh” rõ ràng, nghĩa là nó có động lực học lượng tử trông giống như các hiệu ứng hấp dẫn lượng tử trong một không gian mới nổi. Điều này cho thấy khả năng thực hiện các thí nghiệm hấp dẫn lượng tử trên các bộ xử lý lượng tử.

Năm 2019, Ping Gao và Daniel Louis Jafferis, sau này là một trong team tám người của thí nghiệm, đã chỉ ra rằng, bằng cách làm vướng víu hai mô hình SYK, người ta sẽ có thể thực hiện “viễn tải (qua) lỗ sâu”, tạo ra và đo lường các đặc tính động lực học được mong đợi của một lỗ sâu có thể đi ngang qua được (traversable wormhole) trong một không gian mới nổi. Trong thuyết tương đối rộng, không có gì được phép đi qua lỗ giun nếu các dao động (thăng giáng, fluctuations) năng lượng dương và âm được cân bằng. Như Gao, Jafferis và Aron Wall đã chỉ ra vào năm 2016, sóng xung kích (shockwave) năng lượng âm có thể mở lỗ sâu ra và cho phép khả năng đi qua.[8] Đó là điều nhóm thí nghiệm đã đạt được.

“Chúng tôi đã thực hiện một loại viễn tải lượng tử tương đương với một lỗ sâu đục có thể đi qua được trong bức tranh hấp dẫn. Để làm được điều này, chúng tôi phải đơn giản hóa hệ thống lượng tử thành ví dụ nhỏ nhất mà vẫn bảo toàn các đặc tính hấp dẫn để chúng tôi có thể triển khai nó trên bộ xử lý lượng tử Sycamore tại Google,” Alexander Zlokapa, một thành viên phụ trách nhiều vấn đề kỹ thuật khó khăn của nhóm nói. Zlokapa, một cử nhân tại CalTech, đang làm nghiên cứu tại MIT, chẳng hạn đã sử dụng học máy (machine learning) để làm cho mô hình hấp dẫn lượng tử đủ đơn giản để mô phỏng mà chỉ dung 9 qubits trong máy tính lượng tử.

Ảnh minh họa một lỗ sâu mới nổi trong một máy tính lượng tử. Nguyên lý toàn ảnh (holographic principle) cho chúng ta biết rằng một số trạng thái (states) lượng tử phi-hấp dẫn có một sự mô tả tương đương bằng những trạng thái hấp dẫn ở vùng có nhiều chiều hơn; sự mô tả tương đương này được gọi là đối ngẫu (dual). Jafferis và nhóm của Maria Spiropulu đã tạo ra một trạng thái lượng tử vướng víu cao độ giữa hai nửa của máy tính lượng tử (được mô hình hóa bởi hai lỗ đen là hai hệ thống SYK), sao cho đối ngẫu toàn ảnh của nó là một thực thể được biết như một ‘lỗ sâu mới nổi’ căng ra giữa hai vùng ngoài của nó. Sau đó, họ mô phỏng một thông điệp đi qua được lỗ sâu. (Theo Brown & Susskind, A holographic wormhole in a quantum computer. Nature, 1 December, 2022) (Courtesy of Nature). Về chi tiết, nên tham khảo thêm The New York Times.

Có thể tham khảo chi tiết quá trình truyền tín hiệu qua lỗ sâu trên tạp chí Quanta magazine:

Về những ý tưởng và kỹ thuật đi trước để chạy thí nghiệm trên máy tính lượng tử,

xem thêm bài viết của Natalie Wolchover trên quanta magazine:

https://www.quantamagazine.org/physicists-create-a-wormhole-using-a-quantum-computer-20221130/

Các nhà thí nghiệm ý thức rằng, họ sử dụng một “vũ trụ đồ chơi” lạ lẫm, nên nó không mô phỏng bất cứ thứ gì giống như loại lỗ sâu đục có thể tồn tại trong vũ trụ của chúng ta, như Einstein và Rosen đã hình dung. Nhưng nó có thể được hiểu là tương tự với một lỗ sâu trong hệ thống ảo của các nhà nghiên cứu — thông tin lượng tử được đưa vào một phía của ‘lỗ sâu’ xuất hiện lại ở phía kia.[9] Sự kiện qubit xuất hiện tại đầu kia đã là một điều ngạc nhiên, nhưng ngạc nhiên hơn là nó đến nơi mà không bị xáo trộn (unscrambled). Susskind ví điều này với một cục đường, bỏ vô tách cà phê đầu tiên bị tan biến, nhưng lại xuất hiện ở tách cà phê kia trở lại nguyên hình dạng ban đầu. Điều này có thể hiểu được từ sư mô tả hấp dẫn đối ngẫu: tín hiệu đến nơi không bị xáo trộn ở phía bên kia là bởi vì nó đã đi qua lỗ sâu.

Hai tác giả Brown và Susskind nhận xét về thí nghiệm của nhóm Jafferis và Spiropulu như sau:

Tính đối ngẫu toàn ảnh đạt được độ sắc nét cao nhất trong các hệ thống chứa một số lớn độ tự do, nhưng những máy tính điện tử hiện đại nhất hiện nay lại có tỷ lệ lỗi cao đến nỗi chúng chỉ có thể mô phỏng một số khiêm tốn qubits. Với tổng số qubits là chín, hệ thống lượng tử của Jafferis và các đồng nghiệp có độ phân giải nhỏ. Hơn nữa, vì chín qubits có thể được mô phỏng dễ dàng trên một máy tính cổ điển, các kết quả của thí nghiệm này không thể dạy chúng ta điều gì mà không có thể thu hoạch được từ tính toán cổ điển, và sẽ không dạy chúng ta điều gì về hấp lực lượng tử. Dù thế, thí nghiệm của Jaffersi và các đồng nghiệp là một minh chứng cho nguyên lý có thể đặt nền tảng cho sự phát triển kế tiếp.[10]

Ignacio Cirac, Giám đốc Phòng Lý thuyết của Viện Quang học lượng tử Max-Planck ở Garching (Munich) có ý kiến tích cực hơn: “Các nguyên mẫu máy tính lượng tử hiện có hoặc những nguyên mẫu sẽ được chế tạo trong tương lai gần có thể trở thành công cụ chính để giải quyết các câu hỏi cơ bản. Thử nghiệm vẫn còn ở mức độ rất cơ bản, nhưng nó là một bước quan trọng. Loại mô phỏng này có thể cung cấp thông tin về cách hoạt động của lỗ đen, đặc biệt khi chúng ta nghiên cứu chúng từ góc độ vật lý lượng tử,” Cirac giải thích với Science Media Center (SMC).[11]

Từ những ý tưởng của các nhà vật lý nói trên (Kitaev, Gao, Jefferis, Wall)[12], không phải chỉ có nhóm tám người vừa nói, mà nhiều phòng thí nghiệm khác cũng đang nỗ lực thực hiện các lỗ sâu toàn ảnh đi qua được trên các nền tảng khác nhau. Thập niên qua chứng kiến sự bùng nỗ các ý tưởng kết nối lỗ đen với máy tính lượng tử, một sự tương tác chứa đựng tiềm năng lớn để kích thích ý tưởng mới ở hai phía. Chúng ta có thể hy vọng, Brown và Susskind viết, trong tương lai các kỹ thuật truyền tin-lượng tử có thể được phát mình`sao cho chúng quá khó để phân tích bằng những phương tiện quy ước, nhưng sử dụng tính đối ngẫu toàn ảnh như một công cụ nặng ký để phân tích và khám phá.

Một chi tiết thú rất vị, được tờ New York Times đư ra, theo đó nhà vật lý Caltech giải Nobel Richard Feynman đã từng tiên đoán rằng, quyền năng lượng tử (quantum power của máy tính) chung cuộc có thể là để nghiên cứu chính vật lý lượng tử. Một lời tiên tri chăng?

Hàng trên: Jafferis, Zlokapa, Davis, Kolchmeyer; Hàng dưới: Lauk, Lykken, Neven, Spiropulu

(Traversable wormhole dynamics on a quantum processor – Wormhole2022 (caltech.edu))

Thay lời kết luận

Với những gì đã được viết xuống trong phần [3], tôi hy vọng đóng góp được chút gì rất khiêm tốn cho việc hiểu biết thí nghiệm. Con đường đi tìm sự thống nhất giữa lượng tử và tương đối còn đầy chông gai ở phía trước, mặc dù đã có nhiều tiến bộ đáng phấn khởi. Cần phải có những ý tưởng thật “crazy”, nói theo Niels Bohr, để thành công. Các vị tổ khai sinh ra vật lý hiện đại đã từng lần lượt thất bại: Einstein, Schrödinger, Pauli-Heisenberg, nhưng bài toán thống nhất vẫn là tiếng gọi của giai điệu vũ trụ huyền bí có sức cám dỗ không suy giảm. Đôi khi người ta phải suy nghĩ “out of the box”, hay tạm thời vay mượn những mô hình thay thế để hiểu cơ chế, và tìm kiếm ý tưởng dẫn dắt.

Chắc chắn các thế hệ trẻ khoa học tràn đầy sinh lực và tinh thần khám phá, liều lĩnh và bản lĩnh, không thành kiến, chấp nhận phiêu lưu và thất bại như tinh thần của nhóm khởi nghiệp ở Thung lũng Silicon, sẽ tìm được con đường đột phá để mở ra một chương mới cho bài toán thống nhất nói trên.

Nguyễn Xuân Xanh

Những ngày giáp Tết Quý Mão 2023

Nhất chi mai loài hoa mang quốc hồn quốc túy

(Nhất chi mai)

 

Tham khảo

Độc giả có thể xem thêm chi tiết tại những địa chỉ này

-Trên Nature 30 November 2022: Traversable wormhole dynamics on a quantum processor:

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05424-3

-Trên Nature 01 December 2022: Did physicists create a wormhole in a quantum computer?:

https://www.nature.com/articles/d41586-022-04201-6

-Trên Quanta magazine với rất nhiều chi tiết và hình ảnh: Physicists Create a Holographic Wormhole Using a Quantum Computer:

https://www.quantamagazine.org/physicists-create-a-wormhole-using-a-quantum-computer-20221130/

-Trên The New York Times: Physicists Create ‘the Smallest, Crummiest Wormhole You Can Imagine’

https://www.nytimes.com/2022/11/30/science/physics-wormhole-quantum-computer.html?campaign_id=34&emc=edit_sc_20221206&instance_id=79438&nl=science-times&regi_id=73155885&segment_id=115163&te=1&user_id=dfe20d5efa77920ce89d47762b2361fa

– Đặc biệt bài này tương đối dễ hiểu hơn: Making a Traversable Wormhole with a Quantum Computer:

https://ai.googleblog.com/2022/11/making-traversable-wormhole-with.html

– Theo Adam Brown & Leonard Susskind, A holographic wormhole in a quantum computer. Nature, 1 December, 2022.

Còn một số bài khác nữa trên mạng./.

Chú thích

[1] Galina Weinstein, A comment on: Adam R. Brown & Leonard Susskind’s paper “A holographic wormhole traversed in a quantum computer”: https://arxiv.org/pdf/2212.03568.pdf (December 15, 2022)

[2] https://www.scientificamerican.com/article/entangled-wormholes-could-pave-the-way-for-quantum-gravity/

[3] Xem Chương 7, sách EINSTEIN, Nxb Tổng hợp TP HCM

[4] What are wormholes? An astrophysicist (Kip Thorne) explains these shortcuts through space-time:

https://astronomy.com/news/astro-for-kids/2022/08/what-are-wormholes-an-astrophysicist-explains-these-shortcuts-through-space-time#:~:text=A%20wormhole%20is%20like%20a,down%20to%20hours%20or%20minutes.

[5] Juan Maldacena, Eternal black holes in anti-de Sitter https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1126-6708/2003/04/021. Journal of High Energy Physics, Volume 2003, JHEP04 (2003). Xem thêm https://www.quantamagazine.org/physicists-create-a-wormhole-using-a-quantum-computer-20221130/

[6] Xem bài “Hình học và rối lượng tử” cùa Maldacena, bản dịch của Đàm Thanh Sơn: https://damtson.wordpress.com/2015/11/29/geometria-y-entrelazamiento-cuantico/comment-page-1/#comment-4372

[7] https://www.scientificamerican.com/article/wormholes-quantum-entanglement-link/

[8] https://inqnet.caltech.edu/wormhole2022/

[9] https://www.nature.com/articles/d41586-022-04201-6

[10] Adam L. Brown & Leonardo Susskind, A holographic wormhole in a quantum computer. Nature, 1 December, 2022, 612(7938): 41-42. DOI:10.1038/d41586-022-03832-z

[11] https://pledgetimes.com/the-first-quantum-simulation-of-a-wormhole-manages-to-transmit-information-through-this-shortcut-in-spacetime/

[12] Xem thêm Illya Shapoval, Vincent Paul Su, Wibe de Jong, Miro Urbanek, Brian Swingle, Towards Quantum Gravity in the Lab on Quantum Processors, B.Preprint at https://doi.org/10.48550/ arXiv.2205.14081 (2022).