Các nhà khoa học Đức đã thành công trong việc khai thác 'Internet lượng tử'

Nhóm nghiên cứu từ Đức vừa đạt được một bước đột phá quan trọng trong công nghệ thông tin lượng tử khi thực hiện thành công thí nghiệm phân phối khóa lượng tử (QKD) liên tỉnh lần đầu tiên, sử dụng chấm lượng tử làm nguồn phát photon đơn. Thí nghiệm này là một bước tiến lớn trong việc phát triển các mạng lưới internet lượng tử an toàn và mạnh mẽ hơn trong tương lai.

Các phương pháp mã hóa hiện tại chủ yếu dựa vào các thuật toán toán học phức tạp. Tuy nhiên, với sự phát triển nhanh chóng của máy tính lượng tử, những phương pháp này đang ngày càng trở nên kém an toàn. Điều này thúc đẩy nhu cầu phát triển các phương pháp bảo mật mới, trong đó phân phối khóa lượng tử (QKD) nổi lên như một giải pháp tiềm năng. QKD tận dụng các đặc tính đặc biệt của vật lý lượng tử để bảo vệ thông tin trong quá trình truyền dữ liệu, từ đó ngăn chặn các cuộc tấn công mạng nguy hiểm.

Bước đột phá từ thí nghiệm liên tỉnh sử dụng chấm lượng tử

Trong một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Light: Science and Applications , nhóm các nhà khoa học Đức, dẫn đầu bởi giáo sư Fei Ding từ Đại học Leibniz Hannover (LUH), giáo sư Stefan Kück từ Viện Vật lý và Công nghệ Liên bang (PTB) ở Đức và giáo sư Peter Michler từ Đại học Stuttgart, đã thực hiện thí nghiệm phân phối khóa lượng tử đầu tiên sử dụng nguồn photon đơn từ chấm lượng tử. Thí nghiệm này không chỉ mở ra cơ hội ứng dụng chấm lượng tử trong truyền thông lượng tử mà còn chứng minh tính khả thi của việc áp dụng công nghệ này trong mạng lưới truyền thông thực tế.

Các chấm lượng tử, được gọi là 'nguyên tử nhân tạo' trong thế giới lượng tử, cho thấy tiềm năng lớn trong việc phát triển nguồn sáng lượng tử và được sử dụng để phát ra các photon đơn – yếu tố quan trọng trong phân phối khóa lượng tử. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng chấm lượng tử bán dẫn để tạo ra nguồn photon đơn, mở ra khả năng xây dựng mạng internet lượng tử an toàn và tin cậy.

Liên kết lượng tử Hạ Saxony

Thí nghiệm được thực hiện trong khuôn khổ dự án 'Liên kết lượng tử Hạ Saxony', kết nối hai thành phố Hanover và Braunschweig qua một sợi quang dài 79 km. Trong thí nghiệm này, Alice, thiết bị tại Đại học Leibniz Hannover, chuẩn bị photon đơn để mã hóa thông tin bằng cách điều chỉnh phân cực của nó. Bob, thiết bị tại Viện Vật lý và Công nghệ Liên bang (PTB) ở Braunschweig, giải mã các photon đơn khi chúng được truyền qua sợi quang.

Đây là lần đầu tiên một liên kết truyền thông lượng tử được thiết lập thành công giữa hai thành phố trong thực tế. Thí nghiệm đã chứng minh rằng việc sử dụng chấm lượng tử có thể mang lại hiệu quả cao trong việc truyền khóa lượng tử qua khoảng cách lớn.

Thành tựu và tiềm năng phát triển

Nhóm nghiên cứu đã đạt được những kết quả ấn tượng với tốc độ truyền khóa lượng tử ổn định và nhanh chóng. Trong phòng thí nghiệm, tỷ lệ khóa dương (SKR) đạt được ở khoảng cách lên tới 144 km với mức giảm tín hiệu 28,11 dB. Thực tế, việc truyền khóa với tỷ lệ lỗi bit lượng tử thấp đã được duy trì suốt 35 giờ, chứng minh tính khả thi của công nghệ này trong môi trường thực tế.

Kết quả này nổi bật hơn so với các hệ thống phân phối khóa lượng tử hiện tại và đã tiến gần hơn đến hiệu suất của các giao thức QKD tiên tiến dựa trên xung mạch lạc yếu. Điều này thể hiện tiềm năng to lớn của chấm lượng tử trong việc xây dựng các mạng truyền thông lượng tử có dung lượng cao và quy mô lớn.

Ngoài việc phân phối khóa lượng tử, các nhà khoa học cũng kỳ vọng chấm lượng tử có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của internet lượng tử như bộ lặp lượng tử và cảm biến lượng tử phân tán. Điều này là nhờ vào khả năng lưu trữ thông tin lượng tử và phát ra các trạng thái photon cụm của chấm lượng tử.

Hướng tới một tương lai internet lượng tử

Truyền thông an toàn luôn là nhu cầu thiết yếu của con người, và công nghệ truyền thông lượng tử có thể đáp ứng nhu cầu này. Bằng cách sử dụng các đặc tính đặc biệt của ánh sáng, công nghệ này đảm bảo rằng thông tin không thể bị đánh chặn hoặc can thiệp. Thành công của thí nghiệm mở ra một tương lai mới cho các ứng dụng internet lượng tử, nơi thông tin được bảo mật tuyệt đối.

Giáo sư Fei Ding, một trong những người dẫn đầu nghiên cứu, chia sẻ sự phấn khởi: 'Chúng tôi đã từng mơ về việc áp dụng chấm lượng tử trong các kịch bản truyền thông lượng tử thực tế. Hôm nay, chúng tôi đã chứng minh tiềm năng của chúng qua các thí nghiệm và ứng dụng đầy hứa hẹn trong tương lai, hướng tới một internet lượng tử an toàn và hiệu quả hơn'.

Với bước đột phá này, công nghệ lượng tử tiếp tục tiến xa vào tương lai, mở ra cơ hội lớn cho sự phát triển của một mạng lưới truyền thông toàn cầu an toàn và mạnh mẽ hơn.