Mỹ đạt được kỳ tích chưa từng có: Dịch chuyển tức thời tín hiệu ánh sáng trong khoảng cách từng bị xem là "bất khả thi"

Trong một bước tiến đột phá đánh dấu cột mốc quan trọng cho ngành khoa học lượng tử, các nhà nghiên cứu Mỹ đã lần đầu tiên thực hiện thành công việc dịch chuyển trạng thái lượng tử của ánh sáng qua hơn 30 km cáp quang giữa dòng lưu lượng Internet đang hoạt động. Thành tựu này, từng được giới khoa học coi là điều không thể, mở ra triển vọng mới cho việc phát triển mạng máy tính lượng tử và các hệ thống bảo mật thông tin tiên tiến trong tương lai.

Giáo sư Prem Kumar, kỹ sư máy tính tại Đại học Northwestern và là người dẫn đầu nghiên cứu, không giấu được sự phấn khích khi chia sẻ: " Đây là một kết quả cực kỳ thú vị bởi không ai nghĩ rằng nó là có thể thực hiện được. Công trình của chúng tôi cho thấy con đường hướng tới thế hệ mạng lượng tử và cổ điển tiếp theo có thể chia sẻ cùng một cơ sở hạ tầng cáp quang. Về cơ bản, nó mở ra cánh cửa đưa truyền thông lượng tử lên tầm cao mới ."

Để hiểu rõ tầm quan trọng của nghiên cứu này, trước tiên cần làm rõ khái niệm "dịch chuyển lượng tử" - một thuật ngữ thường gây hiểu lầm do ảnh hưởng từ các bộ phim khoa học viễn tưởng như Star Trek. Trái với việc dịch chuyển vật chất từ điểm này sang điểm khác, dịch chuyển lượng tử thực chất là quá trình truyền trạng thái lượng tử của một vật thể sang một vật thể khác ở xa.

Cụ thể hơn, quá trình này hoạt động bằng cách lấy các khả năng lượng tử của một vật thể ở vị trí này và, bằng cách phá hủy nó một cách cẩn thận, buộc cùng một cân bằng khả năng lên một vật thể tương tự ở vị trí khác. Mặc dù hành động đo lường hai vật thể này quyết định số phận của chúng trong cùng một khoảnh khắc, quá trình liên kết các đặc tính lượng tử của chúng vẫn đòi hỏi việc gửi một sóng thông tin duy nhất giữa các điểm trong không gian.

Thách thức lớn nhất mà các nhà khoa học phải đối mặt trong quá trình này là bảo vệ trạng thái lượng tử khỏi hiện tượng "mất kết dính" (decoherence). Trạng thái lượng tử của bất kỳ vật thể nào giống như kẹo bông trong cơn mưa xuân, một vệt mờ của khả năng có nguy cơ tan chảy thành hiện thực ngay sau khi được tạo ra.

Sóng điện từ của bức xạ và sự va chạm nhiệt của các hạt chuyển động nhanh chóng làm giảm ý nghĩa lượng tử thành sự mất kết dính nếu nó không được bảo vệ bằng cách nào đó.

Việc bảo vệ các trạng thái lượng tử bên trong máy tính đã là một thách thức, nhưng việc gửi một photon đơn lẻ qua các sợi quang đang rộn ràng với các giao dịch ngân hàng, video mèo, và tin nhắn văn bản trong khi vẫn bảo vệ trạng thái lượng tử của nó còn khó khăn hơn nhiều. Điều này giống như việc bạn ném kẹo bông lượng tử của mình vào sông Mississippi và hy vọng nó vẫn ngon như ban đầu khi đến đích.

Để bảo vệ trạng thái quý giá của photon đơn độc này trong dòng lưu lượng Internet 400 gigabit mỗi giây, nhóm nghiên cứu đã áp dụng nhiều kỹ thuật hạn chế kênh của photon và giảm khả năng nó có thể phân tán và trộn lẫn với các sóng khác.

" Chúng tôi đã nghiên cứu cẩn thận cách ánh sáng bị phân tán và đặt các photon của mình tại một điểm chiến lược nơi cơ chế phân tán đó được giảm thiểu ," Kumar giải thích. " Chúng tôi nhận thấy có thể thực hiện truyền thông lượng tử mà không bị nhiễu từ các kênh cổ điển đang hiện diện đồng thời ."

Mặc dù các nhóm nghiên cứu khác đã truyền thành công thông tin lượng tử cùng với dòng dữ liệu cổ điển trong môi trường mô phỏng Internet, nhóm của Kumar là nhóm đầu tiên dịch chuyển một trạng thái lượng tử cùng với một dòng Internet thực tế. Điều này đánh dấu một bước tiến quan trọng trong việc kết hợp công nghệ lượng tử với cơ sở hạ tầng hiện có.

Ý nghĩa thực tiễn của thành tựu này không thể xem nhẹ. Mặc dù người dùng Internet thông thường sẽ không thấy sự khác biệt trong cách họ duyệt web hay xem video, công nghệ này có tiềm năng cách mạng hóa nhiều lĩnh vực của khoa học và công nghệ thông tin.

Đầu tiên, dịch chuyển lượng tử mở đường cho mạng máy tính lượng tử - hệ thống có thể thực hiện các phép tính phức tạp vượt xa khả năng của máy tính thông thường. Trong khi máy tính lượng tử hiện đại đòi hỏi môi trường cực kỳ ổn định và nhiệt độ gần như tuyệt đối không, khả năng truyền thông tin lượng tử qua mạng hiện có sẽ giúp kết nối các máy tính này với nhau, tạo thành một mạng lưới tính toán mạnh mẽ chưa từng có.

Thứ hai, bảo mật thông tin - một trong những ứng dụng hứa hẹn nhất của lượng tử học - sẽ được nâng lên tầm cao mới. Các hệ thống mã hóa dựa trên nguyên lý lượng tử được coi là không thể bẻ khóa theo lý thuyết. Với khả năng truyền thông tin lượng tử qua mạng Internet hiện có, chúng ta có thể thấy sự ra đời của các hệ thống bảo mật "bất khả xâm phạm" trong tương lai gần.

"Dịch chuyển lượng tử có khả năng cung cấp kết nối lượng tử an toàn giữa các nút địa lý cách xa nhau," Kumar nhấn mạnh. " Nhưng nhiều người từ lâu đã giả định rằng không ai sẽ xây dựng cơ sở hạ tầng chuyên biệt để gửi các hạt ánh sáng. Nếu chúng ta chọn đúng bước sóng, chúng ta sẽ không cần phải xây dựng cơ sở hạ tầng mới. Truyền thông cổ điển và truyền thông lượng tử có thể cùng tồn tại ."