Năm của truyền thông lượng tử

Giải Nobel vật lý năm nay được trao cho hai nhà khoa học David Wineland của đại học Colorado-Boulder và Serge Haroche của Collège de France về công trình đo đạc và thao tác lượng tử. Theo Ủy ban Nobel: “Đột phá trong việc đo đạc và thao tác lượng tử, giúp giới nghiên cứu đi được những bước đầu tiên trong nỗ lực tạo ra máy tính lượng tử mà có thể sẽ thay đổi hoàn toàn cuộc sống con người trong thế kỷ này giống như máy vi tính đã làm trong thế kỷ trước”.
 

Việc đo đạc được lượng tử cho phép sử dụng trạng thái bên trong của những phần tử nhó xíu như ion hay photon (quang tử) để lưu thông tin, tương tự như trạng thái “0/1” của chất bán dẫn lưu các bit dữ liệu trong thế giới số hiện nay. Bit trạng thái lượng tử (đơn vị là qubit) nhỏ hơn nhiều so với bit bán dẫn, có thể dùng chính photon để mang và truyền đi với vận tốc ánh sáng.
 

Việc truyền đi photon mang thông tin đã có bước đột phá quan trọng trong năm nay. Với việc tìm ra cách dùng tia laser để truyền thành công photon qua … không khí gần 100 km hồi tháng 5, các nhà vật lý Trung Quốc đã giải quyết được thách thức “khoảng không”. Trước đó photon chỉ có thể truyền qua khoảng không ngắn, cáp quang không thể dùng được ở đây vì các hạt photon mỏng manh khi va chạm với thành cáp có thể bị hấp thu và mất thông tin.

Chỉ vài tháng sau đó, một kỷ lục mới được các nhà vật lý tại Áo thiết lập: 143 km. Đây là cột mốc quan trọng vì 143 km xấp xỉ độ cao tối thiểu của vệ tinh bay quanh Trái Đất. Thành công này mở ra khả năng thiết lập một mạng truyền thông toàn cầu nhanh hơn nhiều so với các mạng truyền thông hiện nay, trong đó viễn tải lượng tử (VTLT) đóng vai trò giao thức liên lạc.
 

Viễn tải lượng tử
 

Không giống như những gì thường được mô tả trong những tác phẩm khoa học viễn tưởng như Star Trek (bộ phim truyền hình nổi tiếng của Mỹ), trong đó vật hay người được phân rã thành các hạt cơ bản (phân tử) và truyền đi để tái tạo gần như tức thời ở một nơi khác, VTLT chỉ truyền đi thông tin trạng thái lượng tử.
 

Trạng thái lượng tử xác định “nhân dạng” của phân tử, hai phân tử có cùng trạng thái lượng tử thì giống y nhau. Vì vậy, về lý thuyết, chỉ cần quét phân tử gốc (cần truyền đi) theo cách nào đó để trích xuất tất cả thông tin trạng thái, sau đó truyền thông tin này đến nơi tiếp nhận để tái tạo phiên bản giống y bản gốc. Cơ chế làm việc gần giống như máy fax.
 

Ý tưởng VTLT trước đây được cho là không khả thi do tính bất định của lượng tử (thuyết bất định Heisenberg): trạng thái của lượng tử rất mong manh, quá trình đo đạc sẽ làm phá hủy trạng thái hiện hữu và vì vậy không thể trích xuất đủ thông tin để tái tạo. Tuy nhiên, năm 1993, Charles H. Bennett của IBM cùng năm nhà khoa học khác đã tìm ra cách vượt qua vấn đề này, nhờ một đặc tính kỳ lạ của thế giới lượng tử cho phép tạo ra hai phân tử luôn “đồng điệu” với nhau (được biết đến với thuật ngữ “rối lượng tử”), khi thực hiện phép đo trên một phân tử này thì dù ở cách bao xa phân tử kia cũng cho kết quả tương ứng gần như tức thời (Einstein gọi hiện tượng này là “tương tác xa kỳ lạ”).
 

Thế giới vi mô có những quy luật khác với thế giới chúng ta. Khó có thể lý giải đặc tính “đồng điệu” của các phân tử theo các khái niệm vật lý thông thường (được cho là vận hành theo chiều không-thời-gian khác với những gì chúng ta biết hiện nay). Có thể hình dung đơn giản hai phân tử “đồng điệu” giống như hai người sinh đôi luôn có sự giao cảm dù ở cách xa nhau, khi người này cảm lạnh thì người kia nhảy mũi chẳng hạn. 

Truyền thông lượng tử dựa trên cơ chế “tương tác xa kỳ lạ” này. Đầu tiên người ta tạo ra hai photon đồng điệu (B và C, có thể tạo đơn giản bằng cách đẩy năng lượng của một photon lên cao để tách làm hai). Một (C) được gửi đi trước đến điểm thu. Một (B) còn lại tại điểm phát được cho tương tác với photon chứa dữ liệu cần truyền đi (A) để thực hiện đo lấy thông tin trạng thái. Qua tương tác, một phần thông tin được “truyền” từ A sang B và “gián tiếp truyền” sang C dù ở bao xa gần như tức thời nhờ đặc tính đồng điệu. Phần thông tin còn lại được đo lấy từ trạng thái của A và B, từ tác động của sự tương tác và việc đo đạc, đến một lúc nào đó sẽ làm cho trạng thái của A và B bị thay đổi và mối quan hệ đồng điệu giữa B và C bị phá vỡ. Khi đó, thông tin trạng thái tương quan giữa B và A sẽ được truyền đi đến điểm thu, áp thông tin này lên C người ta có thể để tái tạo và trích xuất các qubit dữ liệu thông tin ở trạng thái ban đầu của A.
 

Do cần thời gian đo đạc, truyền đi và dựng lại nên VTLT không vượt vận tốc ánh sáng nhưng vẫn nhanh hơn nhiều so với các phương thức truyền thông hiện nay. Không chỉ tốc độ, VTLT còn có ưu điểm bảo mật thông tin rất cao trên đường truyền. Dữ liệu thực sự không được truyền đi. Thông tin được truyền đi chỉ là trạng thái tương quan, dù có bị “đọc lén” cũng không thể giải mã.
 

Đua vào không gian
 

Các thử nghiệm trong thời gian qua cho thấy công nghệ truyền thông lượng tử đã chín muồi và có thể ứng dụng thực tế, với quy mô toàn cầu. Thực tế, cuộc đua đưa vệ tinh lượng tử lên quỹ đạo đã khởi tranh. Nhiều nước đang đầu tư tiền bạc và thời gian cho việc truyền các qubit từ … không gian, trong đó Trung Quốc là quốc gia đầu tiên có lịch trình cụ thể cho vệ tinh chuyên dành để truyền thông lượng tử.
 

Các vệ tinh Trung Quốc ứng dụng nhiều công nghệ, bao gồm khóa lượng tử, rối lượng tử và viễn tải lượng tử. Theo nhà vật lý Yu-Ao Chen của Đại học Khoa học và Công nghệ ở Thượng Hải, người đã làm việc với nhóm các nhà vật lý Trung Quốc thiết lập kỷ lục khoảng cách hồi tháng 5, họ đang tìm cách thu nhỏ các thiết bị cồng kềnh đã sử dụng trong thí nghiệm viễn tải trước đây để có thể đặt trên vệ tinh, ngoài ra còn phải làm cho chúng có thể hoạt động liên tục thời gian dài. Hiện nay, các thí nghiệm VTLT chỉ thực hiện vào ban đêm, vì ban ngày ánh sáng Mặt Trời “xóa trắng” tín hiệu truyền đi.
 

Cơ quan không gian Trung Quốc đã đầu tư hơn 500 triệu đô la Mỹ cho 5 vệ tinh, một trong số đó sẽ được sử dụng cho truyền thông lượng tử. Trung Quốc đã phóng hơn 100 vệ tinh nhưng cho đến nay chỉ có một vệ tinh chuyên dành cho thí nghiệm khoa học. Tuy không có con số chính xác cho các dự án truyền thông lượng tử, nhưng ước tính mức đầu tư của Trung Quốc nhiều hơn châu Âu và Canada. Điều này đặt Trung Quốc ở một vị thế tuyệt vời, các nhóm nghiên cứu khác đang xếp hàng để có cơ hội hợp tác và sử dụng vệ tinh của họ cho các thí nghiệm VTLT. “Áo đã có thỏa thuận sử dụng vệ tinh khi đi qua Vienna. Đức, Canada, Ý và nhiều nước khác cũng muốn được tham gia dự án này”, Yu-Ao Chen cho biết.
 

Nhật cũng có kế hoạch phóng vệ tinh truyền thông lượng tử được đặt tên là Socrates vào năm 2014, nhưng đây chỉ là dự án thử nghiệm. Mỹ có vẻ chậm ở cuộc đua này. Các chương trình truyền thông lượng tử của quốc gia này đã thất bại trong những năm gần đây, đến năm nay chính phủ Mỹ mới quan tâm trở lại.
 

Để có vị thế tốt trong cuộc đua lượng tử, các quốc gia đều chạy đua phát triển công nghệ của mình, đồng thời vẫn để mắt đến những tiến bộ mới nhất ở khắp nơi trên thế giới và sẵn sàng hợp tác.
 

Nhanh hơn nữa?
 

Dù loại thông tin hay phương tiện gì đi nữa thì bản chất của việc truyền thông tin vẫn là chuyển dữ liệu giữa hai điểm cách xa nhau. Khoảng cách có thể rất nhỏ (giữa các thành phần bên trong một con chip) hoặc rất lớn (giữa không gian và Trái Đất), nhưng nguyên lý đều giống nhau. Khác biệt về bản chất trong truyền thông lượng tử là trạng thái thay vì dữ liệu, nhưng thông tin đó vẫn cần được truyền đi qua không gian.
 

Đáng lưu ý là trong khi bit dữ liệu được lưu trữ trong bộ nhớ máy tính tương đối ổn định thì trạng thái lượng tử lại mong manh, dễ bị thay đổi bởi các tương tác, nên việc duy trì trạng thái là vấn đề không đơn giản. 

Công bố trên tạp chí Nature Photonics tháng 10 vừa qua, một nhóm các nhà khoa học đã thiết kế một hệ thống truyền các qubit bằng các photon riêng lẻ được mã hóa bằng thuật toán đặc biệt để chứa thông tin dự phòng và tránh mất dữ liệu. Vì không mất thời gian tạo các phân tử đồng điệu, đo đạc và dựng lại nên quá trình truyền thông lượng tử đơn giản và nhanh hơn. Và một điểm quan trọng nữa: không cần bộ nhớ để lưu trạng thái lượng tử.
 

Không phải tất cả những phát triển mới đều được chấp nhận ngay lập tức. Như điện thoại di động về kỹ thuật đã hiện thực cách đây 40 năm nhưng chỉ mới gần đây mới trở nên phổ biến. Vấn đề không phải là truyền thông lượng tử có được sử dụng hay không mà là nó sẽ được sử dụng trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta khi nào và như thế nào.

P.Nguyễn, STINFO Số 12/2012