Viễn tải lượng tử được thực hiện qua cáp internet tốc độ cao
MỸ – Các kỹ sư của Đại học Northwestern (Northwestern University) là những người đầu tiên chứng minh thành công viễn tải lượng tử (quantum teleportation) (1) qua cáp quang, vốn là thiết bị truyền lưu lượng internet.
(1) Viễn tải lượng tử: hay dịch chuyển lượng tử, là một quá trình mà theo đó toàn bộ thông tin của một qubit có thể được truyền chính xác từ địa điểm này đến địa điểm khác mà không kèm theo sự di chuyển trong không gian của vật thể mang qubit.
Nghiên cứu này, đã được công bố trên tạp chí Optica, mở ra khả năng mới trong việc kết hợp truyền thông lượng tử với cáp internet – giúp đơn giản hóa cơ sở hạ tầng cho các công nghệ cảm biến tiên tiến hoặc các ứng dụng điện toán lượng tử.
Giáo sư Prem Kumar tại đại học Northwestern, người đứng đầu dự án nghiên cứu, đã nói rằng: “Điều này vô cùng thú vị vì không ai nghĩ rằng điều đó là có thể. Công trình của chúng tôi cho thấy một con đường hướng tới các mạng lượng tử thế hệ tiếp theo, chia sẻ một cơ sở hạ tầng cáp quang thống nhất. Về cơ bản, nó mở ra cánh cửa cho việc đưa truyền thông lượng tử lên một tầm cao mới”.
Là một chuyên gia về truyền thông lượng tử, ông Prem là Giáo sư Kỹ thuật điện và Máy tính tại Trường Kỹ thuật McCormick (McCormick School) thuộc đại học Northwestern, nơi ông điều hành Trung tâm Truyền thông và Máy tính Quang tử (Center for Photonic Communication and Computing).
Viễn tải lượng tử hoạt động như thế nào?
Chỉ bị giới hạn bởi tốc độ ánh sáng, viễn tải lượng tử cho phép chia sẻ thông tin giữa những khách hàng dùng mạng ở xa theo một cách mới, cực nhanh và an toàn, trong đó không cần truyền trực tiếp. Quá trình này hoạt động bằng cách khai thác sự liên đới lượng tử (entangled particles) (1), một kỹ thuật trong đó hai hạt được liên kết, bất kể khoảng cách giữa chúng. Thay vì các hạt di chuyển vật lý để truyền thông tin, các hạt liên đới trao đổi thông tin qua những khoảng cách lớn – mà không cần mang thông tin theo cách vật lý.
(1) Liên đới lượng tử: hay rối lượng tử là một hiệu ứng trong cơ học lượng tử, trong đó trạng thái lượng tử của hai hay nhiều vật thể có liên hệ với nhau, dù chúng cách xa tới mức nào, thậm chí là tới khoảng cách lên đến cả nhiều năm ánh sáng.
Giáo sư Prem đã giải thích rằng: “Trong truyền thông quang học, tất cả các tín hiệu đều được chuyển đổi thành ánh sáng. Trong khi các tín hiệu thông thường cho truyền thông cổ điển thường bao gồm hàng triệu hạt ánh sáng, thông tin lượng tử sử dụng các photon đơn lẻ”.
Ông Jordan Thomas, ứng viên tiến sĩ tại phòng thí nghiệm của Giáo sư Prem và là tác giả đầu tiên của bài báo đã nói rằng: “Bằng cách thực hiện phép đo phá hủy trên hai photon – một photon mang trạng thái lượng tử và một photon liên đới với một photon khác – trạng thái lượng tử được chuyển sang photon còn lại, có thể ở rất xa. Bản thân photon không cần được gửi đi xa, nhưng trạng thái của nó vẫn được mã hóa vào photon ở xa. Viễn tải cho phép trao đổi thông tin qua những khoảng cách lớn, mà không yêu cầu thông tin phải di chuyển qua khoảng cách đó.”
Chìa khóa: tìm đúng tuyến đường để tránh tắc nghẽn
Trước nghiên cứu mới của Giáo sư Prem, nhiều nhà nghiên cứu không chắc chắn liệu viễn tải lượng tử có khả thi trong cáp truyền thông tin cổ điển hay không. Các photon liên đới sẽ chìm giữa hàng triệu hạt ánh sáng khác. Nó sẽ giống như một chiếc ‘xe đạp’ mỏng manh cố gắng di chuyển qua một đường ‘hầm’ đông đúc với những chiếc ‘xe tải’ hạng nặng đang chạy với tốc độ cao.
Tuy nhiên, Giáo sư Prem và nhóm của ông đã tìm ra cách giúp các photon tránh xa luồng ‘giao thông’ đông đúc. Sau khi tiến hành các nghiên cứu chuyên sâu về cách ánh sáng phân tán trong cáp quang, các nhà nghiên cứu đã tìm thấy một bước sóng ánh sáng ít đông đúc hơn để đặt các photon của họ vào. Tiếp đến, họ thêm các bộ lọc đặc biệt để giảm tiếng ồn từ lưu lượng truy cập internet thông thường.
Giáo sư Prem đã nói rằng: “Chúng tôi đã nghiên cứu cẩn thận cách ánh sáng bị tán xạ, và đặt các photon của chúng tôi tại một điểm mà cơ chế tán xạ đó được giảm thiểu. Chúng tôi thấy rằng có thể thực hiện giao tiếp lượng tử, mà không bị nhiễu từ các kênh cổ điển”.
Để thử nghiệm phương pháp mới, Giáo sư Prem và nhóm của ông đã thiết lập một sợi cáp quang dài 30 km với một photon ở mỗi đầu. Sau đó, họ đồng thời gửi thông tin lượng tử và lưu lượng truy cập internet tốc độ cao qua đó. Cuối cùng, họ đo chất lượng thông tin lượng tử ở đầu nhận trong khi thực hiện giao thức viễn tải, bằng cách thực hiện các phép đo lượng tử ở điểm giữa. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng, thông tin lượng tử đã được truyền thành công – ngay cả khi lưu lượng truy cập internet lớn và đang chạy với tốc độ cao.
Ông Jordan đã nói rằng: “Mặc dù nhiều nhóm đã nghiên cứu sự cùng tồn tại của truyền thông lượng tử và truyền thông cổ điển trong sợi quang, nhưng đây là dự án đầu tiên cho thấy sự viễn tải lượng tử. Khả năng gửi thông tin không cần truyền trực tiếp, đã mở ra cánh cửa cho các ứng dụng lượng tử tiên tiến hơn, được thực hiện mà không cần cáp quang chuyên dụng”.
Khả năng tương lai
Giáo sư Prem có kế hoạch mở rộng các thí nghiệm trên khoảng cách xa hơn. Ông cũng có kế hoạch sử dụng hai cặp photon liên đới – thay vì một cặp – nhằm chứng minh sự trao đổi liên đới, một cột mốc quan trọng khác dẫn đến các ứng dụng lượng tử phân tán. Cuối cùng, nhóm của ông đang khám phá khả năng thực hiện các thí nghiệm trên cáp quang ngầm thực tế thay vì trên các cuộn dây trong phòng thí nghiệm. Nhưng, ngay cả khi còn nhiều việc phải làm, Giáo sư Prem vẫn lạc quan.
Giáo sư Prem đã nói rằng: “Viễn tải lượng tử có khả năng cung cấp kết nối lượng tử an toàn giữa các điểm cách xa nhau về mặt địa lý. Nhưng, nhiều người từ lâu đã cho rằng sẽ không ai 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 phải xây dựng cơ sở hạ tầng mới. Truyền thông cổ điển và truyền thông lượng tử có thể cùng tồn tại”.
Để xem các tin bài khác về “Viễn tải lượng tử”, hãy nhấn vào đây.
Nguồn: Electronics Online
