Lần đầu tiên mô phỏng đường hầm không-thời gian kết nối 2 lỗ đen (wormhole)

Báo cáo vào tháng 11/2022 cho biết, lần đầu tiên, một máy tính lượng tử đã được sử dụng để mô phỏng một toàn ảnh (holographic) của một lỗ sâu (wormhole). Trong trường hợp này, từ “toàn ảnh” chỉ ra một cách để đơn giản hóa các vấn đề vật lý liên quan đến cả cơ học lượng tử và lực hấp dẫn, chứ không phải ảnh toàn ảnh theo nghĩa đen, vì vậy các mô phỏng như thế này có thể giúp chúng ta hiểu cách kết hợp hai khái niệm cơ học lượng tử và lực hấp dẫn thành một lý thuyết về lực hấp dẫn lượng tử – có lẽ đây là vấn đề khó khăn nhất và quan trọng nhất trong vật lý hiện nay.

Cả cơ học lượng tử , cái điều khiển những thứ vi mô và thuyết tương đối rộng , cái mô tả lực hấp dẫn và thế giới vĩ mô, đều rất thành công trong các lĩnh vực tương ứng của chúng, nhưng hai lý thuyết cơ bản này không phù hợp với nhau. Sự không tương thích này đặc biệt rõ ràng trong những lĩnh vực mà cả hai lý thuyết nên áp dụng, chẳng hạn như bên trong và xung quanh lỗ đen.

Những khu vực này cực kỳ phức tạp, và đó là nơi toàn ảnh xuất hiện. Nó cho phép các nhà vật lý tạo ra một hệ thống ít phức tạp hơn tương đương với hệ thống thật, tương tự như cách một hình hai chiều có thể hiển thị các chi tiết ba chiều.

Tiến sĩ Maria Spiropulu tại Viện Công nghệ California và nhóm nghiên cứu của mình đã sử dụng máy tính lượng tử Sycamore của Google để mô phỏng một toàn ảnh của một lỗ sâu (wormhole holographic) – một đường hầm xuyên không-thời gian kết nối 2 lỗ đen. Họ đã mô phỏng một loại lỗ sâu mà một thông điệp có thể đi qua về mặt lý thuyết và kiểm tra quá trình mà một thông điệp như vậy có thể thực hiện hành trình đó.

Sau đây ta sẽ tìm hiểu sâu hơn về thí nghiệm mô phỏng này:

Khái niệm lỗ sâu và rối lượng tử

Vào năm 1935, Einstein và nhà vật lý học Nathan Rosen đã vận dụng thuyết tương đối rộng dựng nên một ý tưởng, đề xuất sự tồn tại của “những cầu nối” xuyên qua không-thời gian. Những cầu nối này liên kết hai điểm khác nhau trong không-thời gian, nhờ đó trên lý thuyết tạo nên một lối tắt, có thể làm giảm thời gian và khoảng cách du hành. Những lối tắt đó được gọi là cầu Einstein-Rosen (ER), hay lỗ sâu (wormhole) hoặc lỗ giun.

Tên gọi “lỗ sâu” được tạo ra khi tưởng tượng rằng vũ trụ là một bề mặt cầu. Muốn đi từ một điểm đến điểm đối diện trên mặt cầu cần quãng đường là nửa chu vi đường tròn lớn của mặt cầu. Tuy nhiên, nếu có một con sâu đục lỗ xuyên vào trong lòng hình cầu, nối thẳng hai điểm, quãng đường đi chỉ còn là đường kính mặt cầu.

Trong không thời gian, một lỗ sâu có thể giúp đi qua các khoảng cách rất lớn, thậm chí đi tới một “vũ trụ khác”. Có thể sự tồn tại của lỗ sâu trải dọc chiều thời gian, đi qua quá khứ, vì thế có thể đi ngược thời gian bằng cách đi qua nó.

Minh họa lỗ sâu hay cầu ER (nguồn: Shutterstock)

Cũng trong năm 1935, Einstein, Boris Podolsky và Nathan Rosen có một bài báo mô tả một thí nghiệm tưởng tượng về sự vướng víu lượng tử (còn gọi là liên đới lượng tử hay rối lượng tử), cái mà Einstein gọi là “hành động ma quái ở khoảng cách xa”.

Vướng lượng tử là một hiệu ứng kỳ lạ, một mối tương quan mạnh mẽ trong Cơ học lượng tử trong đó trạng thái của hai hay nhiều vật thể có liên hệ tức thời với nhau bất kể khoảng cách giữa chúng xa đến đâu. Ví dụ, có thể tạo ra 1 cặp điện tử gọi là vướng lượng tử với nhau sao cho tại một thời điểm cụ thể nếu quan sát thấy spin (momen động lượng) của điện tử thứ nhất quay xuống dưới, thì ngay lập tức biết spin của điện tử kia sẽ chắc chắn quay lên trên, hoặc ngược lại.

Cuộc cách mạng toàn ảnh và đối ngẫu Ads/CFT

Vào thập niên 1970, Jacob Bekenstein và Stephen Hawking khám phá rằng các bit thông tin chứa trong lỗ đen không hề tỷ lệ với thể tích của lỗ đen như thông lệ, mà tỷ lệ với diện tích của nó, nghĩa là chúng được phân bổ bên trên bề mặt của lỗ đen. Điều đó cho thấy các độ tự do (degrees of freedom, cái tương ứng với entropy) trong trường lực hấp dẫn tỷ lệ với diện tích, khác với những trường hợp không có lực hấp dẫn thì tỉ lệ với thể tích. Điều đó có nghĩa là lỗ đen tuân thủ một quy luật, nguyên lý toàn ảnh.

Năm 1997, nhà vật lý Juan Maldacena, lúc đó mới 29 tuổi ở Đại học Harvard đã công bố một phỏng đoán mạnh mẽ: Vật lý được mô tả bởi một loại nhất định của thuyết siêu dây trong một vùng không-thời gian n-chiều là tương đương với vật lý được mô tả bằng một thuyết trường lượng tử siêu đối xứng tại vùng biên (boundary) (n-1) chiều của nó. Kết quả này lập tức khuấy động sự kích thích trong cộng đồng lý thuyết dây. Nó nói rằng, một thuyết siêu dây, cái chứa đựng ngầm hấp dẫn lượng tử, là tương đương hay còn gọi là đối ngẫu (duality), tương đương với thuyết thuyết trường lượng tử siêu đối xứng trong một vùng hậu cảnh cố định của không-thời gian, cái không chứa hấp dẫn.

Năm 2003, áp dụng các thủ thuật của Lý thuyết dây và D-branes của Joe Polchinski, Maldacena đã khám phá một loại mô tả toàn ảnh hoàn toàn hiển hiện (explicit) của một thế giới, tuy chưa phải là thế giới của chúng ta hoàn toàn, nhưng tương tự, chính là không gian anti-de Sitter (AdS). Maldacena phát hiện rằng, đối ngẫu (duality), tương đương với các lý thuyết trường phù hợp (conformal field theories – CFT) là các lý thuyết trường lượng tử diễn ra trên bề mặt của không gian AdS. Hai mô tả Ads/CFT là hoàn toàn tương đương nhau. Maldacena đã làm cho Nguyên lý toàn ảnh hoàn toàn thuyết phục là đúng đắn.

Minh họa nguyên lý toàn ảnh (nguồn: Facebook Cao Chi)

Hai không gian trong công trình của Maldacena, vùng nội và biên, được gọi là ‘đối ngẫu’, tương đương của nhau. Sử dụng nguyên lý này, thuyết hấp dẫn lượng tử (quantum gravity) trong vùng nội là hoàn toàn tương đương với một lý thuyết hạt lượng tử bình thường sống trên vùng biên. Nguyên lý Maldacena cho phép quy một số độ lớn trong lý thuyết trường về các độ lớn trong không gian của lực hấp dẫn. Điều này đem lại nhiều lợi ích về mặt tính toán một cách ngạc nhiên.

ER = EPR, lỗ sâu và sự vướng víu lượng tử là tương đương (đối ngẫu) nhau

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).

Vào năm 2013, Juan Maldacena và vật lý Leonard Susskind ở Đại học Stanford đã có ý tưởng rằng ER = EPR. Nghĩa là lỗ sâu và sự vướng víu lượng tử là những thứ đối ngẫu, tương đương nhau – một phát hiện hoàn toàn bất ngờ. Ý tưởng cơ bản là khi ta có hiện tượng vướng víu lượng tử giữa hai lỗ đen, thì có thể có một lỗ sâu kết nối chúng. Nói cách khác, các hạt hạ nguyên tử có thể ảnh hưởng lẫn nhau ngay lập tức vì chúng được kết nối với nhau bằng lỗ sâu.

Các lỗ sâu (cầu ER) 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. Nghĩa là vướng lượng tử (EPR) tồn tại là nhờ có cấu trúc không-thời gian đặc biệt của wormhole.

ER = EPR, lỗ sâu và vướng víu lượng tử là tương đương nhau (Nguồn: Natural.com)

Con đường đi tìm dấu vết của sự liên kết giữa ER và EPR trong không-thời gian thực tế là công việc vô cùng khó khăn. Lỗ sâu trong tự nhiên có thể tồn tại từ thời Vũ trụ mới hình thành 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.

Không thời gian từ bit lượng tử (It from Qubit)

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.”

Năm 2015, Giáo sư vật lý tại Viện Công nghệ California 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.

Sơ đồ biểu diễn không gian anti-de Sitter (bên trong hình trụ) và biểu diễn đối ngẫu của nó dưới dạng thông tin lượng tử trên ranh giới (bề mặt của hình trụ) (nguồn: ai.googleblog.com)

Năm 2019, hai nhà khoa học Ping Gao và Daniel Louis Jafferis, 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.

Thí nghiệm mô phỏng lỗ sâu trong phòng lab

Thực hiện ý tưởng mô phỏng 2 lỗ đen được kết nối với nhau bởi một lỗ sâu trên bộ xử lý lượng tử Sycamore của Google, nhóm của Tiến sĩ Maria Spiropulu tại Viện Công nghệ California và Jafferis 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 sơ sinh’ căng ra giữa hai vùng ngoài của nó. Sau đó, họ mô phỏng một thông điệp đi qua được lỗ sâu.

Ứng dụng đơn giản nhất của nguyên lý toàn ảnh để tạo ra lỗ sâu đòi hỏi rất nhiều qubit — trên thực tế, để tiếp cận các giải pháp được vẽ trên giấy do các nhà vật lý lý thuyết đưa ra, sẽ cần một số lượng lớn tùy ý các qubit. Khi số lượng qubit giảm đi, cần có các hiệu chỉnh bổ sung mà ngày nay vẫn chưa được hiểu rõ. Cần có những ý tưởng mới để xây dựng một lỗ sâu có thể đi qua trên một máy tính lượng tử với số lượng qubit hạn chế.

Alexander Zlokapa – một sinh viên khoa học máy tính sắp tốt nghiệp tham gia thí nghiệm – đã áp dụng các thuật toán trong trí tuệ nhân tạo như học sâu (deep learning), lan truyền ngược, thưa thớt hóa để thiết kế một hệ thống lượng tử nhỏ gồm các mạng nơ-ron bảo tồn (đối ngẫu với) các khía cạnh chính của vật lý hấp dẫn.

Tương tự, để tạo ra lỗ sâu, các nhà khoa học bắt đầu với một hệ thống lượng tử lớn và xử lý nó như một mạng nơ-ron. Sử dụng các thuật toán trí tuệ nhân tạo như học máy, lan truyền ngược, họ đã thu được một mô hình thưa thớt phù hợp với động lực học của lỗ sâu. Mô hình này chỉ có 7 qubit.

Mô hình học máy để tạo ra một hệ lượng tử thưa thớt gồm 7 qubit đối ngẫu với động lực hấp dẫn (nguồn: ai.googleblog.com)

Kết quả, 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 sơ sinh- baby wormhole. 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 7 qubits.

Nhóm nghiên cứu đã chèn một bit lượng tử, 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 thực sự đã 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.

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 thực sự 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. 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.

Thí nghiệm còn gây nhiều tranh cãi?

Báo cáo mô phỏng thành công lỗ sâu trên máy tính lượng tử của nhóm tiến sĩ Maria Spiropulu đã gây ra nhiều tranh cãi. Thậm chí họ bị trích và cho rằng không tạo ra điều gì có ý nghĩa từ thí nghiệm.

“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,”

Một điều quan trọng nữa, thí nghiệm này đã cho ta thấy được việc sử dụng các máy tính lượng tử có thể giúp chứng minh được công thức ER=EPR, mang lại cho các nhà vật lý công cụ tiềm năng để phát triển mô tả về không thời gian lượng tử—và sự thống nhất đã được chờ đợi từ lâu giữa thuyết tương đối rộng và cơ học lượng tử.

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

Video về thí nghiệm mô phỏng:

Thiện Tâm tổng hợp

Giải Nobel Vật lý 2022 - tồn tại không gian khác khoa học chưa biết đến?

Giải Nobel 2022 khẳng định một vật chất bí ẩn nhanh hơn ánh sáng tồn tại ở không gian khác nào đó mà con người chưa khám phá ra được.