Dịch chuyển lượng tử độ chính xác cao trên khoảng cách xa

Đặt nền móng cho mạng truyền thông lượng tử

Các nhà khoa học cho biết đã thành công dịch chuyển qubit bằng photon trên khoảng cách 44km (27 dặm) qua mạng sợi quang sử dụng máy dò đơn photon dây nano siêu dẫn độ nhiễu thấp tiên tiến nhất (state-of-the-art) và thiết bị quang học. 

Đây là lần đầu tiên các nhà khoa học chứng minh khả năng dịch chuyển của các photon với độ chính xác cao trên khoảng cách xa như vậy.

Nghiên cứu được thực hiện bởi các nhà khoa học thuộc Phòng Thí nghiệm Fermi (Phòng Thí nghiệm Quốc gia Bộ Năng lượng Mỹ liên kết với Đại học Chicago), Phòng Thí nghiệm Lực đẩy Phản lực của NASA (JPL), Caltech (Viện Công nghệ California), AT&T, Đại học Harvard và Đại học Calgary ở Canada.

Phân tích tính chính xác dữ liệu dịch chuyển lượng tử của CQNET bằng phần mềm thu thập dữ liệu thời gian thực.

Nhóm nhà khoa học đã thực hiện thành công dịch chuyển qubit trên 2 hệ thống: Mạng lượng tử Fermilab và Mạng lượng tử Caltech. 2 hệ thống được xây dựng và triển khai trong khuôn khổ chương trình nghiên cứu công tư của Caltech (Công nghệ và Mạng lượng tử Thông minh (IN-Q-NET).

Panagiotis Spentzouris, lãnh đạo chương trình khoa học lượng tử Fermilab cho biết: “Với cuộc thử nghiệm này, chúng tôi đang bắt đầu đặt nền móng cho việc xây dựng một mạng truyền thông lượng tử đô thị cho khu vực Chicago”.

Nhà vật lý Maria Spiropulu thuộc Caltech cho biết: “Chúng tôi rất tự hào khi đạt được cột mốc quan trọng này trên những hệ thống dịch chuyển lượng tử ổn định, hiệu suất cao và có thể triển khai quy mô mở rộng”.

Kết quả đạt được sẽ tốt hơn nữa khi hệ thống được nâng cấp, dự kiến hoàn thành trong quý 2 năm 2021.

Một sơ đồ của hệ thống dịch chuyển lượng tử bao gồm Alice, Bob, Charlie và các hệ thống con thu thập dữ liệu (DAQ).

Truyền thông lượng tử an toàn hơn

Các hệ thống truyền thông lượng tử được coi là an toàn hơn các mạng thông thường vì được phát triển trên những thuộc tính lượng tử của các photon, chứ không phải mã máy tính, dễ dàng bị tin tặc bẻ khóa. Nhưng những hệ thống mạng lượng tử rất phức tạp và có chi phí cao khi phát triển.

Các hệ thống mạng lượng tử phát triển trên cơ sở hiện tượng rối lượng tử, xảy ra khi các hạt hạ nguyên tử như proton, bắt đầu liên kết và ảnh hưởng lẫn nhau bất kể khoảng cách giữa các hạt là bao nhiêu.

Nếu hai hạt hạ nguyên tử vướng víu nhau, trạng thái của một hạt có thể được biết bằng cách đo trạng thái của hạt kia. Hiện tượng này được sử dụng để tạo ra những kênh liên lạc được mã hóa bảo mật chống lại sự tấn công bằng các định luật vật lý lượng tử.

Tuy nhiên, bản chất siêu nhạy của thông tin lượng tử khiến các nhà khoa học rất khó bắn các photon vướng víu lượng tử trên một khoảng cách xa mà không bị nhiễu. Trong các sợi quang dài, luôn có khả năng gây nhiễu các trạng thái rối lượng tử.

Tháng 9/2020, một nhóm nghiên cứu quốc tế, do các nhà khoa học thuộc Đại học Bristol dẫn đầu công bố phát triển thành công một mạng nguyên mẫu thông tin lượng tử trên toàn thành phố, có thể được sử dụng để truyền thông tin hoàn toàn an toàn và không thể bị hack qua internet.

Các nhà khoa học cho biết: Nguyên mẫu là mạng lượng tử lớn nhất từ trước đến nay, có tiềm năng phục vụ hàng triệu người bằng cách cho phép chia sẻ khóa mã hóa đối với các tin nhắn.

Cũng trong năm 2020, nhóm nghiên cứu của Trung Quốc thông báo phá vỡ kỷ lục trước đó về việc duy trì 2 bộ nhớ lượng tử trong trạng thái vướng víu trên khoảng cách tối đa.

Các nhà nghiên cứu đã có thể xác nhận được sự vướng víu của hai bộ nhớ lượng tử trên 22km sợi cáp quang triển khai trên hiện trường thông qua sự giao thoa của hai photon. Bằng kỳ tích này, nhóm nhà khoa học Trung Quốc phá kỷ lục 1,3km đạt được trong những thí nghiệm về bộ nhớ lượng tử trước đó.

Tháng 7/2019, các nhà khoa học tại Đại học Osaka cũng tuyên bố đạt được bước đột phá mới trong phát triển truyền thông internet lượng tử, sử dụng tia laser.

Nhóm nhà khoa học cho biết, trong thí nghiệm của mình đã chuyển đổi "thông tin được mã hóa trong phân cực tròn chùm tia laser" thành trạng thái spin (mô men động lượng của cơ học lượng tử) của một điện tử, bị mắc trong một chấm lượng tử (tinh thể nano có các đặc tính cơ học lượng tử).

Nguồn: Khoa học & Đời sống