Dịch chuyển lượng tử giữa 2 nguồn sáng là đột phá trong Internet lượng tử

Thành tựu được công bố trên tạp chí Nature Communications đã mở ra triển vọng cho việc xây dựng mạng lưới Internet lượng tử an toàn tuyệt đối, một giải pháp đầy hứa hẹn trước nguy cơ tấn công mạng ngày càng tinh vi trong kỷ nguyên trí tuệ nhân tạo (AI).

Mật mã lượng tử: Giải pháp cho an ninh mạng thời đại AI

Các hệ thống bảo mật truyền thống dựa trên toán học đang dần trở nên không đủ mạnh trước sức mạnh tính toán ngày càng tăng và các thuật toán AI tinh vi. Mật mã lượng tử đang nổi lên như một giải pháp khả thi. Cách tiếp cận này sử dụng các nguyên lý cơ bản của vật lý lượng tử để bảo vệ thông tin, khiến việc bên ngoài chặn dữ liệu mà không bị phát hiện trở nên cực kỳ khó khăn.

Dùng cơ học lượng tử để bảo vệ thông tin không còn là giấc mơ

Nguyên lý cốt lõi nằm ở bản chất của cơ học lượng tử: bất kỳ nỗ lực nào để quan sát một hệ thống lượng tử đều làm thay đổi trạng thái của nó. Điều này có nghĩa là bất kỳ ai cố gắng nghe lén một kênh truyền thông lượng tử sẽ để lại dấu vết có thể phát hiện được, làm cho việc truy cập trái phép trở nên rõ ràng.

Tuy nhiên, phát triển công nghệ cần thiết cho một Internet lượng tử hoạt động tiếp tục liên quan đến những thách thức khoa học lớn. Một trong những trở ngại chính là khoảng cách. Photon, các hạt ánh sáng mang thông tin lượng tử, bị yếu dần khi di chuyển qua sợi quang. Trong các mạng kỹ thuật số hiện đại, tín hiệu dữ liệu tiêu chuẩn phải được làm mới khoảng mỗi 50 km bằng bộ khuếch đại quang. Nhưng cách tiếp cận này không thể được sử dụng cho truyền thông lượng tử, vì các trạng thái lượng tử không thể được sao chép hoặc khuếch đại theo cách thông thường.

Đây chính là lúc vật lý lượng tử cung cấp một giải pháp khác biệt: thông tin có thể được chuyển từ photon này sang photon khác miễn là chính thông tin đó không được tiết lộ trực tiếp, một quá trình được gọi là dịch chuyển lượng tử (quantum teleportation). Mặc dù thuật ngữ "dịch chuyển" có vẻ như khoa học viễn tưởng, nhưng đây là một hiện tượng được chứng minh khoa học dựa trên hiện tượng rối lượng tử - một trong những khía cạnh kỳ lạ nhất của cơ học lượng tử.

Các nhà nghiên cứu đã công bố một phương pháp truyền các trạng thái lượng tử mong manh giữa các nguồn photon riêng biệt

Dựa trên nguyên lý này, các nhà vật lý đang phát triển bộ lặp lượng tử (quantum repeater) để làm mới thông tin lượng tử trước khi nó bị hấp thụ trong sợi quang. Chúng sẽ đóng vai trò như các nút cho Internet lượng tử. Tuy nhiên, có những rào cản kỹ thuật đáng kể cần vượt qua.

Để truyền thông tin lượng tử qua dịch chuyển, các photon phải không thể phân biệt được - nghĩa là chúng phải có hồ sơ thời gian và màu sắc gần như giống nhau. Điều này cực kỳ khó khăn vì chúng được tạo ra ở các địa điểm khác nhau từ các nguồn khác nhau. Giống như việc cố gắng tạo ra hai chiếc đàn piano hoàn toàn giống hệt nhau ở hai nhà máy khác nhau - mỗi nhà máy sẽ có những biến thể nhỏ trong quy trình sản xuất làm cho nhạc cụ khác biệt một chút.

Tim Strobel, nhà khoa học tại Viện Quang học Bán dẫn và Giao diện Chức năng (IHFG) và tác giả chính của nghiên cứu, giải thích: "Các lượng tử ánh sáng từ các chấm lượng tử khác nhau chưa bao giờ được dịch chuyển trước đây vì nó quá khó khăn." Là một phần của dự án nghiên cứu Quantenrepeater.Net, nhóm của ông đã phát triển các nguồn sáng bán dẫn tạo ra các photon gần như giống hệt nhau.

Đột phá công nghệ và triển vọng ứng dụng

Chìa khóa của thành công nằm ở việc sử dụng các chấm lượng tử - những "đảo" bán dẫn có kích thước nanomet. Strobel giải thích: "Trong các đảo bán dẫn này, có các mức năng lượng cố định nhất định, giống như trong một nguyên tử". Điều này cho phép các photon đơn lẻ với các thuộc tính xác định được tạo ra chỉ với một nút bấm. Các đối tác tại Viện Leibniz về Nghiên cứu Vật liệu và Chất rắn ở Dresden đã phát triển các chấm lượng tử chỉ khác nhau một cách tối thiểu, cho phép các photon gần như giống hệt nhau được tạo ra tại hai địa điểm.

Nhóm nghiên cứu đã thành công trong việc dịch chuyển trạng thái phân cực của một photon

Tại Đại học Stuttgart, nhóm nghiên cứu đã thành công trong việc dịch chuyển trạng thái phân cực của một photon có nguồn gốc từ một chấm lượng tử sang photon khác từ chấm lượng tử thứ hai. Một chấm lượng tử tạo ra một photon đơn, chấm còn lại tạo ra một cặp photon rối. "Rối" có nghĩa là hai hạt tạo thành một thực thể lượng tử duy nhất, ngay cả khi chúng bị tách biệt về mặt vật lý - một hiện tượng mà Einstein từng gọi là "hành động ma quái từ xa".

Một trong hai hạt di chuyển đến chấm lượng tử thứ hai và giao thoa với hạt ánh sáng của nó. Hai hạt chồng lấp lên nhau. Do sự chồng chất này, thông tin của photon đơn được chuyển sang đối tác xa của cặp. Công cụ quan trọng cho sự thành công của thí nghiệm là "bộ chuyển đổi tần số lượng tử", bù trừ sự khác biệt tần số còn lại giữa các photon. Những bộ chuyển đổi này được phát triển bởi nhóm do Giáo sư Christoph Becher lãnh đạo, một chuyên gia về quang học lượng tử tại Đại học Saarland.

Giáo sư Peter Michler - trưởng IHFG và phó phát ngôn viên của dự án nghiên cứu Quantenrepeater.Net - nhấn mạnh tầm quan trọng: "Lần đầu tiên trên thế giới, chúng tôi đã thành công trong việc chuyển thông tin lượng tử giữa các photon có nguồn gốc từ hai chấm lượng tử khác nhau. Chuyển thông tin lượng tử giữa các photon từ các chấm lượng tử khác nhau là một bước quan trọng để bắc cầu qua khoảng cách lớn hơn".

Trong thí nghiệm tại Stuttgart, các chấm lượng tử chỉ được tách biệt bởi sợi quang dài khoảng 10 mét. Tuy nhiên, Strobel cho biết: "Nhưng chúng tôi đang nghiên cứu để đạt được khoảng cách lớn hơn đáng kể". Trong công trình trước đó, nhóm đã chứng minh rằng sự rối của các photon chấm lượng tử vẫn còn nguyên vẹn ngay cả sau khi truyền 36 kilômét qua trung tâm thành phố Stuttgart. Đây là một thành tích ấn tượng cho thấy công nghệ có thể hoạt động trong điều kiện thực tế với các cơ sở hạ tầng sợi quang hiện có.

Một mục tiêu khác là tăng tỷ lệ thành công hiện tại của dịch chuyển, hiện đang ở mức hơn 70%. Các biến động trong chấm lượng tử vẫn dẫn đến sự khác biệt nhỏ trong các photon. Strobel chia sẻ: "Chúng tôi muốn giảm điều này bằng cách cải tiến kỹ thuật chế tạo bán dẫn". Việc cải thiện tỷ lệ thành công lên 90% hoặc cao hơn sẽ là một bước tiến lớn hướng tới các ứng dụng thực tế.

Tiến sĩ Simone Luca Portalupi, trưởng nhóm tại IHFG và một trong những điều phối viên nghiên cứu, phản ánh: "Đạt được thí nghiệm này là một tham vọng lâu dài - những kết quả này phản ánh nhiều năm cống hiến và tiến bộ khoa học. Thật thú vị khi thấy cách các thí nghiệm tập trung vào nghiên cứu cơ bản đang thực hiện những bước đầu tiên hướng tới ứng dụng thực tế."

Thành công này có ý nghĩa sâu rộng cho tương lai của truyền thông an toàn. Một mạng lưới Internet lượng tử toàn cầu có thể bảo vệ thông tin nhạy cảm khỏi bất kỳ hình thức nghe lén nào, kể cả từ các máy tính lượng tử tương lai có thể phá vỡ các hệ thống mã hóa hiện tại. Các ngân hàng có thể truyền dữ liệu tài chính với sự đảm bảo tuyệt đối về bảo mật. Chính phủ có thể trao đổi thông tin mật một cách an toàn. Các cơ sở y tế có thể chia sẻ hồ sơ bệnh nhân mà không lo lắng về vi phạm quyền riêng tư.

Con đường từ phòng thí nghiệm đến mạng lưới toàn cầu vẫn còn dài và đầy thách thức. Các nhà khoa học cần tăng khoảng cách hoạt động từ 36 km hiện tại lên hàng trăm hoặc hàng nghìn km. Họ cần cải thiện tỷ lệ thành công và độ tin cậy của quá trình dịch chuyển. Họ cần phát triển các bộ lặp lượng tử có thể hoạt động liên tục trong nhiều năm mà không cần bảo trì thường xuyên. Và họ cần tìm cách tích hợp công nghệ này với cơ sở hạ tầng viễn thông hiện có.

Nhưng với mỗi bước tiến như thành tựu tại Stuttgart, tầm nhìn về một Internet lượng tử an toàn tuyệt đối trở nên gần gũi hơn với thực tế. Trong một thế giới nơi an ninh mạng ngày càng quan trọng và các mối đe dọa ngày càng tinh vi, khả năng truyền thông tin một cách không thể bị chặn có thể là một trong những công nghệ quan trọng nhất của thế kỷ 21.

Bùi Tú