Tưởng chừng bất khả thi, giao tiếp lượng tử giờ đây đã thành hiện thực trên cáp quang thông thường?

Các kỹ sư tại Đại học Northwestern vừa đạt được bước đột phá lớn trong giao tiếp lượng tử khi truyền dữ liệu lượng tử song song với các kênh dữ liệu cổ điển. Bằng cách xác định các bước sóng cụ thể có mức độ nhiễu tối thiểu từ tín hiệu cổ điển, nhóm nghiên cứu đã thành công trong việc truyền dữ liệu lượng tử qua cáp quang dài 30,2km, cùng lúc vận chuyển 400 Gbps dữ liệu cổ điển. Đây là một bước tiến quan trọng trong việc tích hợp công nghệ lượng tử với hạ tầng hiện có.

Giao tiếp lượng tử và hiện tượng rối lượng tử

Công nghệ lượng tử đang trở thành tâm điểm của sự chú ý khi các công ty như Google tuyên bố rằng chip lượng tử mới của họ có thể giải quyết các bài toán mà máy tính cổ điển cần đến 10 tỷ năm mới hoàn thành. Một trong những hiện tượng quan trọng trong công nghệ lượng tử là rối lượng tử, nơi hai hạt được liên kết với nhau sao cho trạng thái lượng tử của chúng luôn gắn bó, bất kể khoảng cách. Tuy nhiên, điều này không cho phép truyền thông tin nhanh hơn tốc độ ánh sáng, đúng với định lý "không truyền thông tin" của vật lý lượng tử.

Giao tiếp lượng tử sử dụng khái niệm dịch chuyển lượng tử (quantum teleportation), kết hợp rối lượng tử và một kênh truyền cổ điển như Internet để chuyển trạng thái lượng tử của một hạt sang một hạt khác ở khoảng cách xa. Theo Jordan Thomas, một trong những tác giả của nghiên cứu, quá trình này hoạt động bằng cách thực hiện phép đo phá hủy (destructive measurement) trên hai photon: một photon mang trạng thái lượng tử và một photon liên kết rối với một photon khác. Kết quả là trạng thái lượng tử được chuyển sang photon còn lại mà không cần di chuyển các photon vật lý.

Một thách thức lớn khi triển khai mạng lưới lượng tử toàn cầu là tương thích với các kênh truyền cổ điển. Trong cáp quang, hàng tỷ photon được gửi đồng thời, làm tăng nguy cơ nhiễu. Nghiên cứu đã tìm ra các bước sóng mà mật độ photon cổ điển thấp hơn, từ đó giảm nhiễu và cho phép photon lượng tử truyền tải hiệu quả hơn. Phép đo Bell (Bell state measurement) được thực hiện tại điểm giữa của cáp quang để tối ưu hóa hiệu quả truyền dữ liệu. Cách tiếp cận này có tiềm năng hỗ trợ hàng terabit dữ liệu cổ điển mỗi giây cùng với giao tiếp lượng tử.

Mặc dù việc áp dụng giao tiếp lượng tử vào thực tế có thể mất nhiều năm hoặc thậm chí hàng thập kỷ, nhóm nghiên cứu dẫn đầu bởi Prem Kumar rất lạc quan. Các bước tiếp theo trong lộ trình bao gồm sử dụng hai cặp photon rối thay vì một cặp và mở rộng quy mô thử nghiệm lên mạng cáp quang thực tế.

Nghiên cứu này không chỉ là một bước tiến lớn trong lĩnh vực lượng tử mà còn mở ra khả năng kết hợp công nghệ tiên tiến này với các hệ thống hạ tầng hiện có, hứa hẹn cách mạng hóa truyền thông trong tương lai gần.