Vật lý lượng tử (Quantum Physics) & nền khoa học kỹ thuật tương lai

Vật lý lượng tử (Quantum Physics), còn gọi là Cơ học lượng tử (Quantum Mechanics), là một trong những nhánh nghiên cứu khoa học đang được quan tâm nhất hiện nay, và là một trong những lĩnh vực mũi nhọn, đi đầu trong việc giúp con người hiểu được các quy luật vận hành của vũ trụ, của thế giới vật chất xung quanh.

Bạn đọc hẳn đã có thể đoán ra: một lĩnh vực nghiên cứu đặc biệt như vậy, chắc chắn cũng sẽ hứa hẹn đem lại cho nhân loại những phát minh khoa học kỹ thuật vượt bậc chưa từng thấy.

Bài viết này chỉ mang tính chất phỏng đoán, và có nội dung xoay quanh những loại hình công nghệ hiện đại ở tầm mức "viễn tưởng" mà cơ học lượng tử, khi được phát triển đủ mức trong tương lai, có thể đem lại.

Nguồn: steemit.com

1) Máy tính lượng tử (Quantum Computer)

Thực chất thì, phát minh này không hẳn là "viễn tưởng", bởi lẽ nó đã & đang được nhiều quốc gia trên thế giới nghiên cứu & phát triển, điển hình là Mỹ, Trung Quốc, Pháp, Đức, Thụy Sĩ, Nhật...

Điểm khác biệt quan trọng nhất giữa máy tính lượng tử (Quantum Computer) & máy tính thông thường (chiếc máy tính mà bạn đang sử dụng để đọc bài viết này) nằm ở khả năng xử lý thông tin/dữ liệu vi tính (data) của chúng.

Máy tính lượng tử của công ty D-Wave Systems. Nguồn: Google.

Nếu như máy tính thông thường dựa vào hệ nhị phân (0 và 1) để xử lý dữ liệu, thì máy tính lượng tử vận dụng nguyên lý vướng mắc lượng tử (Quantum Entanglement) và nguyên lý chồng chập (Superposition).

Theo đó, mỗi qubit - đơn vị thông tin của máy tính lượng tử (tương đương với bit ở máy tính thông thường), có thể cùng một lúc mang cả giá trị của 0 và 1. Việc này giúp máy tính lượng tử xử lý những luồng thông tin lớn khổng lồ với tốc độ nhanh hơn đáng kể so với máy tính thông thường.

"Tin học lượng tử sẽ là công nghệ đầu tiên cho phép thực hiện các thao tác với sự hỗ trợ từ những vũ trụ song song" _ tiến sỹ David Deutsch. Nguồn: slideshare.net

Lợi thế vượt bậc này của máy tính lượng tử thậm chí còn khiến giới khoa học tin rằng nó sẽ là chìa khóa giúp họ khai thác dữ liệu, và chứng minh được sự tồn tại của các vũ trụ song song (parallel universe) - một việc mà họ đã & đang nghiên cứu và thu nhận được một số thành công nhất định.

Geordie Rose - CEO của D-Wave Systems - nói về cách mà máy tính lượng tử có thể khai thác thông tin/dữ liệu từ các vũ trụ song song. Nguồn: YouTube

Bên cạnh đó, một trong những điểm yếu của máy tính lượng tử mà giới nghiên cứu đã chỉ ra là: với những phép toán và luồng thông tin với dung lượng nhỏ, thì các máy tính thông thường vẫn là một sự lựa chọn hữu hiệu & kinh tế hơn.

2) Máy Gia tốc Hạt (Large Hadron Collider - LHC)

Hiện tại trên thế giới chỉ có duy nhất một máy gia tốc hạt đã được xây dựng và liên tục tiến hành các thí nghiệm. Cỗ máy này được đặt ở giữa biên giới Pháp - Thụy Sĩ, sâu dưới lòng đất, và có kích thước khổng lồ - ngang bằng với một thành phố!

Máy Gia tốc Hạt được xây dựng bởi CERN (tên viết tắt của một từ tiếng Pháp) - tức Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân Châu Âu - với mục đích tái tạo lại vụ nổ Big Bang, nhằm hiểu được nguồn gốc thật sự sự hình thành của vũ trụ.

Quy mô khổng lồ của máy gia tốc hạt LHC. Nguồn: slideshare.net

Máy Gia tốc Hạt thực hiện việc này qua các thí nghiệm tạo ra sự va chạm (collision) giữa các hạt cơ bản với nhau. Proton (điện tích dương trong hạt nhân nguyên tử) là hạt thường được sử dụng trong các thí nghiệm này. Các nhà nghiên cứu cho biết, sự phát triển của vật lý lượng tử trong tương lai nhất định sẽ góp phần mang lại những cải tiến vượt bậc cho cỗ máy này.

Đặc biệt, trong suốt thời gian tiến hành các thí nghiệm, rất nhiều lần máy Gia tốc Hạt được ghi nhận là đã góp phần tạo ra các hiện tượng lạ thường, ví dụ như các cơn bão & đám mây kì dị sau đây:

"Cơn bão" kỳ lạ xuất hiện trên khu vực máy LHC. Nguồn: lajmi.net

Nguồn: thesun.co.uk

Những hiện tượng lạ thường trên đã khiến không ít người, cả giới khoa học lẫn cộng đồng thuyết âm mưu, đặt ra hàng loạt giả thuyết xoay quanh việc liệu CERN có đang, vô tình hoặc cố tình, tạo ra một cổng thông (portal) nào đó, một chiều không gian mới nào đó!?

Sự phát triển của vật lý lượng tử trong tương lai có lẽ chính là chìa khóa giúp ta giải đáp câu hỏi đó vậy!

3) Cỗ máy thời gian (Time Machine)

Và chúng ta bắt đầu tiến vào thế giới của những phát minh "viễn tưởng".

Cỗ máy thời gian & du hành xuyên không có lẽ là một trong những đề tài thường xuyên được các bộ phim khoa học viễn tưởng (sci-fi) khai thác nhất, và luôn là nguồn cảm hứng cho giới khoa học, mặc cho Stephen Hawking - nhà vật lý lý thuyết người Anh - với nghịch lý ông nội (grandfather paradox) nổi tiếng của mình, đã không ít lần phủ nhận tính khả thi của loại hình công nghệ này.

Nguồn: Health Thoroughfare.

Về mặt lý thuyết, công nghệ du hành xuyên không cũng được dựa trên nguyên lý vướng mắc lượng tử. Cụ thể, 2 hạt trong trạng thái vướng mắc sẽ có thể trao đổi thông tin với nhau. Việc trao đổi thông tin này, nếu có thể được diễn ra với tốc độ nhanh hơn tốc độ ánh sáng (hiện tại điều này là không thể) thì sẽ tạo điều kiện cho việc du hành xuyên không có thể được thực hiện.

"...thông tin lượng tử được dịch chuyển không thể nhanh hơn tốc độ ánh sáng, vì bạn vẫn cần phải dùng cổng thông tin cổ điển (classical channel). Mà truyền tải thông tin bằng cổng cổ điển thì không thể nhanh hơn tốc độ ánh sáng (quy định bởi Thuyết Tương Đối của Einstein)."

_ Tiến sỹ Vật lý/Quang học lượng tử Trần Trọng Toàn.

Liệu việc chế tạo cỗ máy thời gian như của Doraemon có khả thi? Nguồn: marcusgohmarcusgoh.com

Như vậy, việc du hành thời gian có được tiến hành thành công trong tương lai hay không phụ thuộc vào việc chúng ta có thể phát triển, thậm chí phát minh ra 1 loại cổng thông tin mới, một cổng thông tin lượng tử (quantum channel) nào đó. Liệu sự phát triển của công nghệ vi tính lượng tử (quantum computation) có giúp ích cho việc này, chúng ta chưa thể chắc chắn, nhưng nó có lẽ là một trong những hướng đi.

4) Công nghệ dịch chuyển tức thời (Teleportation)

Công nghệ này cũng dựa trên nguyên lý vướng mắc lượng tử. Cụ thể là dựa vào khả năng trao đổi thông tin giữa 2 hạt. Tuy nhiên, với các thí nghiệm hiện tại, giới khoa học chỉ mới thành công ở việc dịch chuyển "bản sao thông tin" của các hạt giữa các khoảng cách, chứ không/chưa thể dịch chuyển chính các hạt này.

Nguồn: Steemit.

"Đây thật ra là khái niệm vận chuyển tức thời một trạng thái lượng tử từ một vật thể lượng tử đến một vật thể lượng tử khác nhờ vào nguyên lý 'Vướng mắc lượng tử' (Quantum engtanglement). Thế nhưng, nó chỉ dừng lại ở sự dịch chuyển tức thời của trạng thái lượng tử mà thôi, không phải dịch chuyển của vật chất. Ví dụ bạn có nguyên tử A ở Sài Gòn và nguyên tử B ở Hà Nội, cái mà bạn dịch chuyển tức thời là trạng thái lượng tử (hay nôm na là thông tin lượng tử) của A qua B, chứ không phải bạn có thể dịch chuyển được cả nguyên tử A từ Sài Gòn ra Hà Nội trong chớp mắt. Do vậy nên việc dịch chuyển những đồ vật/vật chất lớn là không thể."

_ Tiến sỹ Trần Trọng Toàn.

Việc dịch chuyển các vật chất lớn như cơ thể con người hiện tại vẫn là bất khả thi. Nguồn: Gypsy.Ninja.

"Cái có thể xảy ra trong tương lai xa, theo mình suy nghĩ (khoảng vài chục năm), là bạn có thể vận chuyển một lượng lớn thông tin lượng tử (từ các phân tử phức tạp), từ điểm A đến diểm B tức thời."

_ Tiến sỹ Trần Trọng Toàn.

5) Công nghệ thu nhỏ kích thước (Shrinking Technology)

Đúng vậy, mình đang muốn nói về thứ công nghệ có thể khiến kích thước của các đồ vật thông thường, thậm chí là cả cơ thể con người, "teo nhỏ" lại tới kích thước nguyên tử & hạ nguyên tử.

"Viễn tưởng" là vậy, nhưng các nhà nghiên cứu tại MIT (Học viện Công nghệ Massachusetts tại Mỹ) cho biết họ đã & đang tiến hành phát triển loại hình công nghệ này, vận dụng các nguyên lý của cơ học lượng tử. Họ gọi tên nó là "công nghệ thu nhỏ" (Shrinking Technology).

"Người Kiến" trong bộ trang phục "lượng tử" của mình. Nguồn: GIPHY.

Và nếu bạn đọc đã từng xem qua bộ phim Ant-Man/Người Kiến của series phim điện ảnh Marvel, hoặc là fan ruột của bộ truyện tranh Nhật Bản kì cựu Doraemon, thì có lẽ khái niệm "công nghệ thu nhỏ" cũng không quá lạ lẫm với bạn.

"Mèo máy thông minh" Doraemon cũng sở hữu không ít các loại hình công nghệ thu nhỏ. Nguồn: agescimarche.it

Đặc biệt, nhiều nhà nghiên cứu cho biết, nếu vật lý lượng tử được phát triển đến một tầm mức vừa đủ, nó thậm chí còn có thể giúp họ chế tạo ra được những thiết bị, máy móc chữa bệnh siêu nhỏ ở mức độ nano, hoặc nhỏ hơn nữa: mức độ nguyên tử & hạ nguyên tử. Những thiết bị siêu nhỏ này có thể được đưa vào trong cơ thể con người, đảm nhiệm việc phát hiện & tái tạo các tế bào đã nhiễm bệnh, tế bào chết & thậm chí là các tế bào ung thư.

Nếu việc này có thể được thực hiện, thì trong tương lai tất cả chúng ta đều hoàn toàn có thể sở hữu một cơ thể bất hoại như của Wolverine, với khả năng tự tái tạo ở mức tế bào.

Nguồn: Reddit.

"Bằng cách dùng sóng microwave kết hợp với chiếu tia laser ở mức năng lượng thích hợp, các nhà khoa học đã thành công trong việc biến hệ lượng tử này thành một máy chụp cộng hưởng từ ở kích thước nanomét - một bước tiến đột phá trong khoa học ứng dụng! Vậy là VLLT đã dần khẳng định tính ứng dụng của nó trong công nghệ sinh học và y-sinh. Hy vọng trong tương lai không xa, những chiếc máy MRI kích thước nanomét này có thể được tiêm vào cơ thể người bệnh để chụp lại hình ảnh của các tế bào ung thư chẳng hạn, giúp đỡ các bác sĩ trị ưng thư hiệu quả hơn."

_ Tiến sỹ Trần Trọng Toàn.

Lời kết

Trên đây là một vài những ứng dụng về khoa học kỹ thuật mà vật lý lượng tử được cho là có thể đem lại trong tương lai. Tuy không thể nói là đầy hứa hẹn, nhưng nếu các nhà khoa học thành công trong việc phát triển những loại hình công nghệ này, thì thế giới của chúng ta sẽ được chứng kiến cả một cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật mới!

Bạn đọc có nghĩ rằng việc phát triển những loại hình công nghệ này là khả thi trong tương lai? Cùng chia sẻ trong phần bình luận bài viết nhé!

Nguồn:

LeMieux, J. (2019): MIT has big goals for shrinking technology (Genetic Engineering & Biotechnology News).

Mandelbaum, R. F. (2017): Groundbreaking observation confirms an important prediction of quantum physics (Gizmodo).

O'Neil, I. (2016): LHC atom smasher opens quantum physics floodgates (Live Science).

Schirber, M. (2008): How quantum physics could power the future (Live Science).

Zyga, L. (2018): Future quantum technologies may exploit identical particle entanglement (phys.org).