Dịch chuyển lượng tử không chỉ là khoa học viễn tưởng; nó hoàn toàn có thật và đang diễn ra trong các phòng thí nghiệm ngày nay. Nhưng việc dịch chuyển tức thời các hạt lượng tử và thông tin còn lâu mới có thể đưa con người vào không gian. Ở một khía cạnh nào đó, nó thậm chí còn đáng kinh ngạc hơn.

John Preskill, nhà vật lý lý thuyết tại Viện Công nghệ California, là một trong những nhà lý thuyết hàng đầu về điện toán lượng tử và thông tin. Trong tập này, người đồng dẫn chương trình Janna Levin phỏng vấn anh ta về sự vướng víu, dịch chuyển các bit từ bờ biển này sang bờ biển khác và lời hứa mang tính cách mạng về công nghệ lượng tử.

Lắng nghe về Podcast của Apple, Spotify, Google Podcasts, TuneIn hoặc ứng dụng podcasting yêu thích của bạn, hoặc bạn có thể truyền nó từ Quanta.

Bảng điểm

JANNA LEVIN: Khi tôi nói từ dịch chuyển tức thời, điều gì hiện lên trong đầu tôi? Có lẽ đó là người vận chuyển từ Star Trek ngay lập tức đưa phi hành đoàn xuống một hành tinh hoặc TARDIS du hành thời gian của Doctor Who. Trong khoa học viễn tưởng, dịch chuyển tức thời là một thiết bị hữu ích để đưa con người từ nơi này đến nơi khác mà không lãng phí thời gian trên hành trình.

Nhưng dịch chuyển lượng tử? Chà, đó là một điều gì đó rất khác biệt - và hoàn toàn có thật.

Tôi là Janna Levin và đây là “The Joy of Why”, một podcast từ Tạp chí Quanta, nơi tôi thay phiên nhau cầm mic với người đồng dẫn chương trình, Steve Strogatz, khám phá một số câu hỏi lớn nhất trong toán học và khoa học ngày nay.

Dịch chuyển lượng tử là khả năng biến mất khỏi một địa điểm và xuất hiện ở một địa điểm khác mà không cần di chuyển ở giữa. Mặc dù chúng ta có thể không bao giờ sánh được với phim ảnh, nhưng công nghệ này có thể sẽ cách mạng hóa truyền thông, điện toán và sự hiểu biết của chúng ta về thế giới xung quanh.

Hôm nay, chúng ta có sự tham gia của một trong những chuyên gia hàng đầu về dịch chuyển tức thời lượng tử. John Preskill là giáo sư vật lý lý thuyết tại Viện Công nghệ California, đồng thời là người sáng lập và chủ tịch lãnh đạo hiện tại của Viện Vật chất và Thông tin Lượng tử. Nghiên cứu của ông đã khám phá vật lý hạt, lý thuyết trường lượng tử và các khía cạnh lượng tử của vũ trụ sơ khai và các lỗ đen. Công việc hiện tại của ông áp dụng nghiên cứu này vào các vấn đề khó giải quyết trong thông tin và điện toán lượng tử. John, chào mừng đến với “Niềm vui của Tại sao”.

JOHN TRƯỚC: Rất vui được ở đây, Janna.

LEVIN: Rất vui khi có bạn. Tôi muốn đi vào chi tiết về chủ đề cực kỳ kỹ thuật này, nhưng bạn có thể bắt đầu với một trong những khái niệm cốt lõi, đó là ý tưởng vướng víu, rối lượng tử?

TRƯỚC: Vâng, sự vướng víu là từ mà chúng ta sử dụng để mô tả các mối tương quan đặc trưng giữa các phần của hệ lượng tử.

Trước hết, chúng ta có ý nghĩa gì khi nói đến mối tương quan? Chúng ta có thể nói về mối tương quan đối với các bit thông thường. Giả sử bạn có một bit, hoặc là 0 hoặc 1. Và tôi có một bit, là 0 hoặc 1. Sau đó, nếu cả hai chúng ta đều có 0 hoặc cả hai đều có 1, thì đó là mối tương quan giữa các bit của chúng ta.

Trong trường hợp qubit, chúng có thể tương quan theo cách tương tự. Khi chúng tôi quan sát hoặc đo qubit – tương tự lượng tử của một chút - chúng tôi có được một chút. Nhưng điều khác biệt trong trường hợp lượng tử là có nhiều cách để xem xét một qubit.

Vì vậy bạn có thể coi nó như một cái hộp có một chút gì đó bên trong. Bên trong có số 0 hoặc số 1. Và tôi có hai cách nhìn vào bên trong hộp. Nó có hai cửa. Tôi có thể mở Cửa số 1 hoặc tôi có thể mở Cửa số 2. Và mỗi cách, tôi thấy một chút.

Và chúng ta có thể có mối tương quan cho cả hai cách. Nếu cả hai chúng ta đều mở Cánh cửa số 1, chúng ta sẽ thấy mối tương quan nào đó giữa thứ bạn thu được và thứ tôi thu được. Và nếu cả hai chúng ta đều mở Cánh cửa số 2, chúng ta sẽ thấy mối tương quan, nhìn chung có thể khác.

Và chính vì chúng ta có nhiều cách bổ sung cho nhau để xem xét một qubit nên chúng có những mối tương quan thú vị và phức tạp hơn so với mối tương quan giữa các bit thông thường.

Nhưng điều bí ẩn là thế này: Bạn không thể quan sát một qubit mà không làm ảnh hưởng đến nó. Đây là sự khác biệt rất quan trọng giữa thông tin thông thường và thông tin lượng tử.

LEVIN: Vì vậy, giả sử tôi làm xáo trộn hạt của mình và buộc nó phải có một trạng thái xác định. Chúng ta có thể gọi đó là một quá trình đo lường, hoặc có thể tôi làm điều đó một cách tình cờ. Và tôi phát hiện ra nó là 0. Và nó tương quan với hạt của bạn theo cách như vậy. Điều đó có thực sự - như mọi người nói - nhanh hơn tốc độ ánh sáng áp đặt lên hạt của bạn đến mức nó đảm nhận một trạng thái nhất định để tôn trọng mối tương quan?

TRƯỚC: Không, đáng tiếc là nó không. Ồ, tôi ước gì điều đó xảy ra. Nếu tôi nhìn vào qubit của mình, việc bạn có nhìn vào qubit của mình hay không không thành vấn đề. Tôi chỉ đi xem ngẫu nhiên một chút thôi. Vì vậy, chỉ sau khi cả hai chúng tôi nhìn và nói chuyện với nhau, chúng tôi mới có thể biết rằng chúng tôi có mối tương quan.

Tuy nhiên, trừ khi chúng ta nói chuyện, mỗi người trong chúng ta sẽ chỉ quan sát sự ngẫu nhiên thuần túy, nhưng với cơ hội là 0 hoặc 1 như nhau, và không có cách nào có thể truyền đạt bất kỳ thông tin nào.

LEVIN: Tất nhiên, bây giờ, nếu chúng ta thảo luận với nhau, thì tốc độ đó phải di chuyển chậm hơn tốc độ ánh sáng, đó là một phần của giao tiếp.

TRƯỚC: Chà, bạn có thể đạt được khá gần tốc độ ánh sáng, nhưng không nhanh hơn. Vì vậy, đó là một vấn đề lớn, rằng chúng ta thực sự không thể, ngay cả khi chúng ta vướng víu, gửi thông tin từ tôi đến bạn nhanh hơn thời gian ánh sáng truyền từ tôi đến bạn. Sự vướng víu không làm thay đổi câu chuyện đó.

LEVIN: Tuyệt vời. Bây giờ, ở đây chúng ta đã thảo luận về sự vướng víu, bắt nguồn từ những thí nghiệm tưởng tượng [Albert] Einstein đang cố gắng vật lộn với và đôi khi chống lại cơ học lượng tử. Bây giờ, tại sao Einstein lại gọi điều này một cách nổi tiếng là “hành động ma quái ở khoảng cách xa“? Hoặc đôi khi được dịch là “hành động ma quái ở khoảng cách xa”.

TRƯỚC: Vâng, Einstein cảm thấy rất rõ ràng rằng không nên có sự ngẫu nhiên trong các định luật vật lý cơ bản. Ông cảm thấy rằng nếu chúng ta biết mọi thứ có thể biết - mà các định luật vật lý sẽ cho phép chúng ta biết - về một hệ vật lý, thì chúng ta sẽ có thể dự đoán một cách hoàn hảo những gì chúng ta sẽ thấy khi quan sát hệ đó.

Và sự vướng víu không tuân theo nguyên tắc đó. Thực sự có sự ngẫu nhiên thực sự trên thế giới. Ngay cả khi chúng tôi biết mọi thứ về cặp qubit vướng víu mà bạn và tôi chia sẻ, bạn vẫn bất lực trong việc dự đoán những gì bạn nhìn thấy khi nhìn vào qubit đó. Đó chỉ là một chút ngẫu nhiên. Và không phải vì bạn không biết. Đó là điều không thể biết được.

LEVIN: Làm thế nào điều này trở thành đòn bẩy quan trọng trong dịch chuyển tức thời lượng tử? Bản thân điều đó không phải là dịch chuyển tức thời lượng tử. Vậy nó được khai thác như thế nào?

TRƯỚC: Đó là một câu hỏi tinh tế. Vậy bây giờ chúng ta hãy nói về dịch chuyển lượng tử là gì.

LEVIN: Làm ơn, có.

TRƯỚC: Vậy là bây giờ bạn đang ở New York phải không?

LEVIN: Tôi đang ở New York, vâng.

TRƯỚC: Được rồi, Janna, tôi hiện đang ở California, còn bạn ở New York, và tôi tình cờ có ở California một qubit. Nó ở ngay trong tay tôi đây. Nó được mã hóa trong một nguyên tử nhỏ. Nhưng FedEx lượng tử đôi khi mắc lỗi nên họ đã gửi cho tôi qubit này, nhưng nó là dành cho bạn. ĐƯỢC RỒI? Vì vậy, bằng cách nào đó tôi phải tìm ra cách chuyển qubit của mình cho bạn. Và nếu chúng tôi có một ống dẫn nào đó mà chúng tôi có thể sử dụng để gửi nguyên tử từ California đến New York, thì đó sẽ là một cách để chuyển qubit đến tay bạn. Nhưng chúng ta không có bất kỳ kết nối nào mà tôi có thể sử dụng để gửi nguyên tử.

Nhưng bạn không muốn nguyên tử, bạn muốn thông tin có trong nguyên tử. Chà, tình cờ là ngày hôm qua bạn và tôi đã khéo léo có tầm nhìn xa để tạo ra một cặp qubit vướng víu, dự đoán rằng một lúc nào đó chúng ta có thể sử dụng chúng.

Và đây là những gì tôi có thể làm. Tôi có thể lấy qubit này mà tôi nhận được ngày hôm nay. Tôi không biết trong đó có thông tin gì. Đó là một số qubit đã được giao cho tôi. Và tôi có thể quan sát nó cùng với một nửa cặp qubit vướng víu mà tôi và bạn chia sẻ.

Và bây giờ, tôi đang quan sát hai qubit và tôi thực hiện nó theo cách - hãy gọi nó là phép đo vướng víu. Chúng tôi nhìn chung cả hai và tôi có thể thu được hai thông tin từ việc quan sát chúng. Và sau đó - bây giờ, qua một liên kết giao tiếp thông thường, giống như những gì chúng tôi đang sử dụng hiện nay - tôi có thể gửi hai thông tin đó cho bạn. Và sau đó, bạn có thể sử dụng hai bit thông tin đó để thực hiện thao tác trên qubit của mình ở New York.

Và bây giờ, qubit đó ở New York có tất cả thông tin lượng tử giống như qubit bí ẩn mà tôi nhận được ngày hôm nay. Tôi không biết trạng thái của qubit đó là gì và trên thực tế, tôi đã phá hủy nó trong phòng thí nghiệm của mình khi quan sát nó. Nhưng có thể nói, chúng tôi có thể “tái sinh” nó ở New York. Và bạn chỉ cần hai bit thông tin đó để tái tạo lại qubit đó một cách hoàn hảo. Đó là dịch chuyển lượng tử.

LEVIN: Vì vậy, theo một nghĩa nào đó, bạn có một trạng thái lượng tử ở California mà bạn muốn tôi có thể tái tạo ở New York mà không cần gửi nó qua FedEx, lái xe khắp đất nước. Bạn muốn tôi có thể làm điều đó mà không cần phải di chuyển bất cứ thứ gì ở giữa. Vậy là bạn đã tìm ra cách thông minh này để giúp tôi xây dựng lại trạng thái trong phòng thí nghiệm của riêng mình chỉ bằng những hướng dẫn đơn giản đó.

Và theo nghĩa đó, nó đã dịch chuyển tức thời. Nó biến mất về phía bạn vì bạn đã phá hủy trạng thái và quá trình cố gắng tìm kiếm thông tin bạn cần để truyền đạt cho tôi. Nhưng nó lại xuất hiện trong phòng thí nghiệm của tôi sau khi bạn truyền đạt thông tin. Tôi có bỏ lỡ điều gì quan trọng trong cách diễn giải đó không?

TRƯỚC: Chà, tôi nghĩ có một vài điều cần khuếch đại trong những gì bạn nói. Trước hết, tôi không hoàn toàn đồng ý với tuyên bố của bạn rằng tôi không gửi bất cứ thứ gì hữu hình cho bạn. Trong thực tế, tôi đã làm. Tôi đã gửi cho bạn hai thông tin.

LEVIN: Ồ, bạn đã gửi cho tôi thông tin qua internet.

TRƯỚC: Tôi không thể làm điều đó mà không gửi thứ gì đó vật chất.

LEVIN: Đã đồng ý.

TRƯỚC: Có lẽ đó là các photon truyền qua sợi quang từ California đến New York. Và sự liên lạc giữa chúng tôi thực sự cần thiết để việc này có hiệu quả.

Nhưng như thế không đủ. Đó là một điều buồn cười về qubit. Nếu tôi muốn chuẩn bị trạng thái qubit, tôi cần rất nhiều thông tin. Bạn có thể hình dung một qubit về mặt hình học giống như một mũi tên nhỏ chỉ vào không gian ba chiều. Bạn biết đấy, giống như bề mặt Trái đất. Và nếu tôi muốn cho bạn biết tôi đã chuẩn bị qubit như thế nào, thì tôi đang chọn một điểm trên quả địa cầu đó, vì vậy tôi phải cung cấp cho bạn vĩ độ và kinh độ với độ chính xác rất cao để cho bạn biết chính xác cách chuẩn bị qubit đó.

Vì vậy, theo một nghĩa nào đó, có rất nhiều thông tin được đưa vào nhưng lại có rất ít thông tin được đưa ra, bởi vì khi bạn quan sát nó, bạn chỉ thu được một chút. Vì vậy, một bit đó sẽ không cho bạn biết cách đặt qubit, có thể nói, trên địa cầu ở một số vĩ độ và kinh độ xác định. Đó là lý do tại sao dịch chuyển tức thời lại đáng chú ý, bởi vì tôi chỉ gửi cho bạn hai bit đó, và thế là đủ để bạn tái tạo lại nó một cách hoàn hảo.

Đó là hai mảnh cùng với sự vướng mắc mà chúng ta đã chia sẻ, mà chúng ta đã có tầm nhìn xa để chuẩn bị ngày hôm qua.

LEVIN: Đúng, đó là một sự khác biệt lớn. Điều đó thật tuyệt vời. Bạn đang gửi cho tôi thông tin về mặt vật lý, internet hoặc tín hiệu ánh sáng hoặc bằng cách nào đó bạn đang gửi chúng cho tôi. Nhưng bằng cách nào đó, tôi nhận được nhiều thông tin hơn nhờ cách sắp xếp phức tạp mà chúng tôi đã thỏa thuận.

Vì vậy, không phải là bạn có chiếc bàn IKEA của mình và tôi cần một số thông tin về cách chế tạo chiếc bàn của tôi và bạn đã đập nát chiếc bàn của mình thành từng mảnh để tìm ra cách nó được lắp ráp. Bạn vẫn phải cho tôi biết từng thông tin nhỏ nhất. Vì vậy, về cơ bản có điều gì đó khác biệt về quá trình lượng tử với quá trình cổ điển. Lợi ích của điều đó là gì? Tại sao nó lại thú vị như vậy? Vấn đề lớn là gì?

TRƯỚC: Trước hết, Janna, bạn và tôi là những nhà vật lý lý thuyết, vì vậy, bạn biết đấy, không cần nhiều để khiến chúng ta hào hứng.

LEVIN: [cười] Tuyệt đối.

TRƯỚC: Nhưng nó có ích gì? Đó là một câu hỏi hay. Vì vậy, giả sử chúng ta muốn phân bổ sự vướng víu trên khắp thế giới. Nghe có vẻ khá tuyệt phải không? Chúng ta coi như đương nhiên rằng bạn và tôi có thể chia sẻ sự vướng mắc giữa California và New York, và chúng ta không nói về cách chúng ta làm được điều đó.

Trên thực tế, chúng tôi không biết cách thực hiện điều đó ngay bây giờ với công nghệ hiện có. Về nguyên tắc thì không có lý do gì, nhưng vì những lý do thực tế, với công nghệ hiện có, chúng ta không thể gửi một qubit từ California đến New York và nó đến nơi mà không bị hư hại.

Cách tốt nhất mà chúng ta phải gửi qubit là gửi các photon qua sợi quang và sợi quang bị tổn hao. Vì vậy, nếu bạn cố gắng gửi một qubit đi một trăm km, nó chỉ có khoảng một phần 50 cơ hội thực hiện được mà không biến mất. Và nếu tôi cố gắng gửi nó đi một nghìn km, vẫn chưa đủ để đến New York, thì khả năng nó sẽ đến được gần như bằng không.

Vì vậy, làm thế nào chúng ta có thể chia sẻ sự vướng víu? Chà, chúng tôi nghĩ chúng tôi sẽ làm điều đó bằng cách sử dụng dịch chuyển tức thời. Nghe có vẻ hơi tròn phải không? Bởi vì chúng ta cần sự vướng víu để thực hiện dịch chuyển tức thời. Nhưng đây là ý tưởng: Tôi có thể gửi một qubit, chẳng hạn như 10 km, hoặc 50 km, với xác suất thành công khá cao.

LEVIN: Điều đó vẫn còn khá tốt.

TRƯỚC: Vâng, điều đó không quá tệ. Nhưng bây giờ, giả sử tôi muốn đi từ California đến New York, điều tôi làm là giới thiệu rất nhiều nút nhỏ trên đường đi, nơi chúng ta sắp kết nối truyền thông lượng tử. Vì vậy, hãy tưởng tượng chúng ta đang cố gắng đi từ A đến C và điều chúng ta làm là chia sẻ sự vướng víu giữa A và B và giữa B và C. Và khi đó chúng ta có cách thực hiện phép đo tại B của hai nửa vướng víu này cặp. Chúng tôi gọi nó là sự hoán đổi vướng víu.

Bạn thực hiện phép đo hai qubit tại B, sau đó nói với A và C: “Ồ, đây là kết quả đo mà tôi có”. Bây giờ A và C có thể vướng víu với nhau. ĐƯỢC RỒI? Trên thực tế, chúng ta đang mở rộng, ừm, phạm vi của sự vướng víu. Đó là một biến thể của dịch chuyển tức thời.

Và tôi vẫn chưa kể cho các bạn toàn bộ câu chuyện, vì nếu sự vướng víu từ A đến B không tốt và sự vướng víu từ B đến C không tốt lắm, chúng ta có thể lấy rất nhiều cặp vướng víu khá ồn ào. và không hoàn hảo, và có một cách để chắt lọc chúng thành những cặp ít vướng víu hơn, có chất lượng cao hơn nhiều. Và bằng cách làm điều đó nhiều lần, chúng ta có thể tạo ra sự kết nối giữa California và New York, và sau đó chúng ta có thể sử dụng nó cho bất cứ điều gì chúng ta muốn. Chúng tôi có thể sử dụng nó để phát triển khóa chung mà chúng tôi biết là riêng tư hoặc chúng tôi có thể sử dụng nó để gửi thông tin lượng tử.

Đây là một cách đơn giản hơn, với khoảng cách ngắn hơn mà chúng ta có thể sử dụng dịch chuyển tức thời. Nếu chúng ta có hai con chip trong máy tính lượng tử và muốn gửi thông tin lượng tử từ con chip này sang con chip kia, cách chúng ta có thể làm là thiết lập sự vướng víu giữa hai con chip, sau đó sử dụng dịch chuyển tức thời để gửi thông tin từ con chip này sang con chip khác. . Và điều đó có lẽ sẽ rất cần thiết để mở rộng quy mô điện toán lượng tử thành các hệ thống lớn có thể giải quyết các vấn đề thực sự khó khăn.

LEVIN: Chúng tôi sẽ quay lại ngay.

[Nghỉ để chèn quảng cáo]

LEVIN: Chào mừng bạn quay trở lại với “Niềm vui của Tại sao”.

Vì vậy, bạn thực sự đang nói về công nghệ. Tôi được biết gần đây bạn đã thực hiện động thổ cho một trung tâm mới ở Caltech. Tôi tin rằng nó sẽ được đặt tên là Trung tâm Đo lường Chính xác Lượng tử.

TRƯỚC: Đúng rồi, ừ. Bạn đã và đang thực hiện nghiên cứu của mình.

LEVIN: Vâng. Và liệu điều đó có một phần hướng tới sự tiến bộ của công nghệ? Như bạn đã nói, bạn là một nhà vật lý lý thuyết. Đây là điều mà một số người đã nói, “sự hữu ích đáng ngạc nhiên của những ý tưởng vô dụng”. Nhưng bạn có hướng tới việc phát triển các công nghệ với một trung tâm như vậy không, hay bạn thực sự đang muốn cách mạng hóa sự hiểu biết cơ bản của chúng ta về cơ học lượng tử, hay cả hai?

TRƯỚC: Chúng ta thực sự không thể tách rời những điều đó. Khoa học và công nghệ cùng nhau phát triển. Khi khoa học của chúng ta ngày càng tinh vi hơn, chúng ta phát triển những công nghệ tốt hơn và điều đó tạo điều kiện cho những khám phá mới. Khi khoa học tiến bộ, đó là nhờ sự kết hợp của những ý tưởng mới và công nghệ mới.

Vì vậy, tôi quan tâm đến máy tính lượng tử chẳng hạn, và có nhiều lý do để kỳ vọng rằng cuối cùng điều đó sẽ có tác động thực tế lớn đến xã hội. Nhưng nó cũng là một công cụ tuyệt vời để khám phá khoa học. Vì vậy, tại Trung tâm Đo lường Chính xác Lượng tử, vâng, chúng tôi sẽ phát triển công nghệ, nhưng chú ý đến các chiến lược đo lường tốt hơn nhằm khai thác các đặc tính như sự vướng víu lượng tử, điều này sẽ cho phép chúng tôi đo lường mọi thứ với độ chính xác cao hơn và ít xâm lấn hơn.

Mọi người đều muốn đo lường mọi thứ tốt hơn và các chiến lược lượng tử có thể giúp chúng ta thực hiện các phép đo mà lẽ ra không thể thực hiện được. Đó thực sự là chủ đề trí tuệ của trung tâm đó.

LEVIN: Vâng, và mọi người đều muốn kiểm soát thông tin tốt hơn, nhanh hơn.

TRƯỚC: Chà, mọi người đều hiểu thông tin là quan trọng và thông tin lượng tử sẽ được sử dụng vào mục đích gì cũng như tác động thực tế lớn sẽ ở đâu - vẫn còn rất nhiều câu hỏi mở về điều đó.

Nhưng chúng ta có thể dự đoán rằng với thông tin lượng tử, với điện toán lượng tử, sử dụng sự vướng víu lượng tử để đo lường, chúng ta sẽ có thể làm được những điều mà trước đây chúng ta không thể làm được. Và điều đó cuối cùng sẽ có tác động thực tế.

LEVIN: Bạn có thấy trước tác động thực tế đó sẽ lan rộng đến cuộc sống hàng ngày của chúng ta không?

TRƯỚC: Cuối cùng, tôi mong đợi điều đó. Chúng tôi không biết chắc chắn tác động đó sẽ được cảm nhận như thế nào. Trong trường hợp điện toán lượng tử, ý tưởng tốt nhất mà chúng tôi hiện có - và đó là một ý tưởng cũ, đã có từ hơn 40 năm trước. Richard Feynman - là chúng ta có thể sử dụng máy tính lượng tử để hiểu sâu hơn về cách thức hoạt động của các hệ lượng tử.

Các nhà vật lý như chúng tôi hiểu rằng điều đó thật thú vị, nhưng nó cũng quan trọng vì nó có thể cho phép khám phá những loại vật liệu mới có đặc tính hữu ích, những loại hợp chất hóa học mới, có lẽ bao gồm cả dược phẩm, v.v. Và tất cả những điều đó cuối cùng đều ảnh hưởng đến cuộc sống hàng ngày của mọi người. Và với phép đo lượng tử nữa, tôi nghĩ công nghệ lượng tử cuối cùng sẽ thực sự chạm tới mọi thứ trong khoa học.

Giả sử trong sinh học và y học, chúng ta muốn có thể quan sát những gì đang diễn ra bên trong tế bào, không xâm lấn và với độ nhạy cao hơn. Và điều đó cuối cùng sẽ quan trọng đối với các liệu pháp điều trị, và nó cũng sẽ quan trọng để hiểu sâu hơn về khoa học sinh học.

LEVIN: Ngoài ra còn có một nơi dành cho dịch chuyển tức thời lượng tử để hiểu bản chất cơ bản của lực hấp dẫn, mà tôi biết là lĩnh vực trọng tâm trong nghiên cứu của bạn. Làm thế nào sự vướng víu lại có thể đóng một vai trò nào đó trong những thứ to lớn và ì ạch như lỗ đen?

TRƯỚC: Đối với tôi, đây là một trong những điều thú vị nhất về thông tin lượng tử, đó là nó mang đến cho chúng ta những cách suy nghĩ mới mẻ về những câu hỏi cơ bản khác, kể cả trong vật lý vật chất ngưng tụ, nơi chúng ta đang cố gắng hiểu các trạng thái vướng víu cao độ của vật chất lượng tử, và trong vật lý hấp dẫn.

Câu chuyện này bắt nguồn từ năm 1935 khi có hai bài báo nổi tiếng xuất hiện trên tạp chí Đánh giá vật lý. Một trong số đó, của Einstein và [Nathan] Rosen, là về quan sát cho thấy chúng ta có thể tìm ra nghiệm trong thuyết tương đối rộng cho các phương trình của Einstein, phương trình mô tả không-thời gian, trong đó có một lỗ sâu đục trong không gian. Điều này chưa được hiểu rõ vào thời điểm đó, nhưng thực sự, lời giải mô tả hai lỗ đen có phần bên trong chung - một loại lỗ sâu nối phần bên trong của hai lỗ đen này.

Và bài báo của Einstein, [Boris] Podolsky và Rosen là về sự vướng víu lượng tử và cách đặc biệt mà nó cho phép các hệ thống tương quan với nhau theo cách mà chúng ta không thể mô tả bằng thông tin cổ điển.

Và điều mà chúng ta đã đánh giá cao trong 10 năm qua: Hai hiện tượng này, sự vướng víu lượng tử và lỗ sâu đục trong không gian, có liên quan chặt chẽ với nhau. Trên thực tế, chúng có thể được xem là hai cách mô tả cùng một sự việc. Đây là một điều phổ biến trong vật lý và rất có sức mạnh. Nếu chúng ta có hai cách khác nhau để mô tả cùng một hiện tượng, trông rất khác nhau nhưng mô tả chính xác cùng một vật lý, điều đó có thể giúp chúng ta hiểu sâu hơn.

Và vì vậy, điều mà chúng tôi đánh giá cao hiện nay, và điều mà chúng tôi có thể nói khá rõ ràng trong phiên bản của lực hấp dẫn lượng tử mà chúng tôi hiểu rõ nhất, là nếu hai lỗ đen trở nên vướng víu với nhau rất nhiều, chúng sẽ được kết nối bởi một lỗ sâu trong không gian.

Alice có thể có lỗ đen của cô ấy, và Bob có thể có lỗ đen của anh ấy, và nếu họ vướng vào nhau, điều đó có nghĩa là cả Alice và Bob đều có thể nhảy vào lỗ đen của họ. Và sau đó họ có thể gặp nhau, và có lẽ sẽ có một mối quan hệ trong một thời gian, mặc dù họ sẽ phải chịu số phận, giống như Romeo và Juliet, chạm vào điểm kỳ dị và bị tiêu diệt. Nhưng chúng ta có thể làm cho nó vui hơn nữa, và đây chính là lúc dịch chuyển tức thời phát huy tác dụng.

Chúng ta có thể tạo ra một lỗ sâu đục trong không gian, với những điều kiện thích hợp, có thể đi qua được. Lỗ sâu đục ban đầu được Einstein và Rosen mô tả ban đầu là một ví dụ về lỗ sâu đục không thể đi qua được. Điều đó có nghĩa là bạn không thể nhảy vào một đầu và đi ra ở đầu kia. Nhưng điều chúng tôi đánh giá cao là lý thuyết lượng tử thực sự có thể gửi xung năng lượng âm vào lỗ đen. Khi bạn thường đưa vật chất vào lỗ đen, nó làm cho chân trời sự kiện của nó di chuyển ra ngoài một chút, xung năng lượng âm đó có thể khiến vật chất di chuyển vào trong một chút. Và đó chỉ là những gì chúng ta cần để Alice có thể ném một chút hoặc một qubit vào lỗ đen của cô ấy và để nó thoát ra ở phía cuối của Bob.

Có một cách khác để mô tả điều này, đó thực sự là một dạng dịch chuyển lượng tử.

Vì vậy, tôi nghĩ điều đó thực sự thú vị, bởi vì nó gợi ý rằng trực giác hấp dẫn có thể giúp chúng ta hiểu được hành vi của các hệ lượng tử rất phức tạp mà nếu không thì có vẻ rất phi trực quan.

LEVIN: Đó là một bước ngoặt hoàn toàn tuyệt vời và hấp dẫn để đi sâu vào lượng tử, để cố gắng hiểu các hiện tượng quy mô lớn, chẳng hạn như sự tồn tại của lỗ đen hoặc sự sống sót của chúng.

Và tôi sẽ lén đưa ra một câu hỏi về sự bốc hơi của các lỗ đen, và việc dịch chuyển tức thời lượng tử có thể liên quan như thế nào trong việc tìm hiểu làm thế nào, nếu Alice nhảy vào lỗ đen của mình, thông tin của cô ấy cuối cùng có thể không bị mất, và dịch chuyển tức thời lượng tử đó có thể là một cách để chúng ta khôi phục lại những gì đã xảy ra với Alice sau khi cô ấy nhảy vào hố đen.

TRƯỚC: Chà, tôi biết khi tôi gặp Janna Levin, cuối cùng chúng tôi sẽ nói về lỗ đen.

LEVIN: [cười] Tôi có thể biến bất kỳ cuộc trò chuyện nào thành cuộc trò chuyện về lỗ đen.

TRƯỚC: Không có gì ngạc nhiên ở đó.

Trên thực tế, tôi nghĩ những gì tôi vừa mô tả đã cho chúng ta cái nhìn sâu sắc về quá trình thông tin thoát ra khỏi lỗ đen, điều mà chúng tôi tin là như vậy. Các định luật vật lý không cho phép thông tin bị phá hủy, kể cả khi nó rơi vào hố đen và hố đen bốc hơi. Chỉ là bị xáo trộn thành một dạng nào đó cực kỳ khó đọc. Có một số loại vi phạm địa phương. Đây là nguyên tắc cơ bản nhất hoặc một trong những nguyên tắc cơ bản nhất trong vật lý. Chúng tôi đã đề cập đến nó trước đó - thông tin đó không thể truyền đi nhanh hơn tốc độ ánh sáng.

Nhưng, theo một nghĩa nào đó, để thoát ra khỏi lỗ đen, theo định nghĩa, thông tin phải truyền đi nhanh hơn ánh sáng. Ánh sáng bị mắc kẹt bên trong, thông tin thoát ra ngoài. Và điều đó chỉ ra rằng khái niệm về quan hệ nhân quả - cách chúng ta thường nghĩ về nó, rằng có giới hạn tốc độ về tốc độ truyền tải thông tin - không hoàn toàn đúng trong mọi trường hợp. Nguyên tắc đó có thể bị vi phạm.

Và bản thân không-thời gian có thể không thực sự là một khái niệm cơ bản. Đúng hơn, nó là một tính chất nổi bật của một số hệ lượng tử phức tạp trong đó mọi thứ rất vướng mắc.

Vậy làm thế nào mà chúng ta nghĩ rằng, trong những hoàn cảnh bình thường, khái niệm nhân quả này dường như được thỏa mãn một cách chặt chẽ đến vậy? Chà, tôi nghĩ chúng ta có câu trả lời cho điều đó và thật thú vị khi nó kết nối với điện toán lượng tử.

Chúng tôi nghĩ đó là có thể vi phạm quan hệ nhân quả, để gửi thông tin nhanh hơn ánh sáng. Nhưng để làm được điều đó đòi hỏi một phép tính lượng tử thuộc loại mà bạn có thể thực hiện trên máy tính lượng tử, phức tạp và mạnh mẽ đến mức chúng ta sẽ không bao giờ có thể thực hiện được trong thực tế.

Vì vậy, chúng ta có thể xóa bỏ khoảng cách giữa tôi ở California và bạn, Janna, ở New York. Về nguyên tắc, chúng tôi có thể. Trong thực tế, việc này cực kỳ khó thực hiện, nó đòi hỏi một tính toán mạnh mẽ đến mức không ai có thể thành công.

LEVIN: Đáng chú ý. John, anh đã dành phần lớn cuộc đời mình để cố gắng hiểu một số khái niệm khó nắm bắt và thách thức nhất trong lý thuyết lượng tử. Điều gì ở việc nghiên cứu vật lý lý thuyết và dịch chuyển tức thời lượng tử mang lại cho bạn niềm vui?

TRƯỚC: À, tôi là người khá dễ giải trí nên có rất nhiều thứ mang lại cho tôi niềm vui. Nhưng cả câu hỏi và câu trả lời đều có thể mang lại niềm vui. Bạn biết đấy, những ý tưởng mà bạn chưa từng nghe trước đây và bạn nhận ra là sâu sắc và hấp dẫn có thể mang lại niềm vui. Vì vậy, khi lần đầu tiên tôi đánh giá cao rằng về mặt lý thuyết chúng ta có thể - và cuối cùng tôi nghĩ là trên thực tế - xây dựng máy tính lượng tử mạnh đến mức chúng có thể giải quyết những vấn đề mà chúng ta sẽ không bao giờ có thể giải quyết được nếu đây là một thế giới cổ điển, rằng có lẽ là một trong những khoảnh khắc hạnh phúc nhất khi gặp được một ý tưởng sâu sắc và thú vị như vậy. Và suy nghĩ về điều đó cuối cùng đã khiến tôi thay đổi hướng nghiên cứu của riêng mình.

LEVIN: Đó là những thứ đẹp như vậy. Chúng tôi đã nói chuyện với nhà vật lý lý thuyết Caltech John Preskill về bản chất đáng kinh ngạc và các ứng dụng tiềm năng của dịch chuyển tức thời lượng tử. John, cảm ơn bạn rất nhiều vì đã ở bên chúng tôi ngày hôm nay.

TRƯỚC: Tôi đã có khoảng thời gian tuyệt vời, Janna. Cảm ơn.

LEVIN: Tôi cũng vậy. Nói chuyện luôn vui vẻ. 'Sớm thôi.

[Vở kịch chủ đề]

LEVIN: “Niềm vui của Tại sao” là một podcast từ Tạp chí Quanta, một ấn phẩm độc lập về mặt biên tập được hỗ trợ bởi Quỹ Simons. Các quyết định tài trợ của Simons Foundation không ảnh hưởng đến việc lựa chọn chủ đề, khách mời hoặc các quyết định biên tập khác trong podcast này hoặc trong Tạp chí Quanta.

“Niềm vui của Tại sao” được sản xuất bởi Sản phẩm PRX. Đội ngũ sản xuất gồm có Caitlin Faulds, Livia Brock, Genevieve Sponsler và Merritt Jacob. Nhà sản xuất điều hành của PRX Productions là Jocelyn Gonzales. Morgan Church và Edwin Ochoa đã hỗ trợ thêm. Từ Tạp chí Quanta, John Rennie và Thomas Lin cung cấp hướng dẫn biên tập, với sự hỗ trợ của Matt Carlstrom, Samuel Velasco, Nona Griffin, Arleen Santana và Madison Goldberg.

Nhạc chủ đề của chúng tôi là từ APM Music. Julian Lin đã nghĩ ra tên podcast. Hình ảnh của tập phim là của Peter Greenwood và logo của chúng tôi là của Jaki King và Kristina Armitage. Đặc biệt xin gửi lời cảm ơn tới Trường Báo chí Columbia và Bert Odom-Reed tại Phòng thu Phát sóng Cornell.

Tôi là chủ nhà của bạn, Janna Levin. Nếu bạn có bất kỳ câu hỏi hoặc ý kiến ​​​​cho chúng tôi, xin vui lòng gửi email cho chúng tôi tại [email được bảo vệ]. Cảm ơn vì đã lắng nghe.