Buzz
Trong một đêm đẹp trời vào cuối năm ngoái, một dấu chấm màu xanh xuất hiện trên đỉnh đồi gần biên giới Trung Quốc-Myanmar. “Nó giống như một ngôi sao màu xanh rất sáng,” nhà vật lý Chao-Yang Lu nói. Lu, giáo sư tại Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc, nhìn thấy nó từ một trạm quan sát ở ngoại ô thành phố Lệ Giang của Trung Quốc.
Anh và đồng nghiệp phải hành động nhanh chóng. Ngôi sao màu xanh thực sự là một tia laser, phát từ một vệ tinh quay quanh trên 300 dặm phía trên, giống như một đèn hiệu hải đăng quảng bá vị trí của tàu vũ trụ. Dấu laser đang lao lên bầu trời và sẽ biến mất sau chóp đồng bằng chỉ trong 10 phút. Do đó, nhóm nghiên cứu, gồm các nhà nghiên cứu từ nhiều cơ sở khoa học ở Trung Quốc, đã khóa telescop của họ vào tia laser màu xanh để tìm kiếm phần thưởng thực sự bên trong: photon hồng ngoại đơn mảnh được tạo ra bởi một tinh thể đặc biệt trên vệ tinh. Lọc ra ánh sáng xanh, họ nắm bắt đối tượng săn mồi của mình, một tín hiệu lượng tử chưa từng được gửi đi.
Cuộc thử nghiệm này là một bài kiểm tra quan trọng cho một công nghệ mới nổi gọi là mật mã lượng tử, sử dụng các hạt lượng tử như photon để gửi thông tin an toàn. Nhưng các hạt lượng tử mong manh thì khó truyền tải. Nếu bạn cố gắng gửi chúng qua sợi quang, tín hiệu bị làm hỏng sau chỉ 150 dặm du lịch—không hữu ích nếu bạn muốn gửi thông tin qua một quốc gia hoặc toàn cầu.
Nên nhà nghiên cứu đã lâu đề xuất sử dụng vệ tinh để phát sóng các hạt lượng tử qua các khoảng cách xa. Nhưng họ chưa bao giờ thực hiện được cho đến bây giờ. Trong thí nghiệm này, vệ tinh phân phối các photon đơn giữa hai trạm đất cách nhau 750 dặm, một kỷ lục mới. “Đối với việc mở rộng khoảng cách của mạng lưới truyền thông lượng tử, đây là một cột mốc,” nói Eleni Diamanti, phó giám đốc Trung tâm Lượng tử Paris, người không tham gia vào công việc. “Không có câu hỏi nào về điều đó.”
Trung Quốc đã phóng vệ tinh trị giá 100 triệu đô la, được biết đến với tên gọi Quantum Experiments at Space Scale, vào tháng Tám từ Trung tâm Phóng vệ tinh Jiuquan ở sa mạc Gobi. Trước khi phóng, các nhà nghiên cứu đã đặt một hệ thống phức tạp gồm tia laser, gương và một tinh thể đặc biệt lên tàu. Khi một tia laser cụ thể chiếu vào tinh thể, nó sẽ tạo ra các cặp hạt ánh sáng được biết đến là photon lượng tử. Tinh thể tạo ra 6 triệu cặp photon mỗi lần, nhưng ở mặt đất, hai trạm đất chỉ có thể phát hiện khoảng một cặp mỗi giây. “Đó là một nhiệm vụ khó khăn,” Lu nói. “Nó giống như bạn phải thấy rõ một sợi tóc người từ xa 300 mét.”
Nhà nghiên cứu như Lu và đồng nghiệp của anh tin rằng mật mã lượng tử có thể là công cụ mã hóa của tương lai. Nếu thực hiện đúng cách, giao thức sẽ diễn ra như sau: Đầu tiên, bạn đo đặc điểm của photon để tạo ra một khóa các số 1 và 0 mà bạn gửi đến người nhận dự kiến của mình. Sau đó, bạn mã hóa thông điệp của mình bằng khóa và gửi nó đi. Nếu một hacker cố gắng đánh cắp khóa trong quá trình truyền tải, lý thuyết cơ học lượng tử nói rằng họ sẽ ngay lập tức biến nó thành một bộ số khác. Hãy tưởng tượng mèo Schrödinger, nó là đồng thời chết và sống khi bạn không nhìn, nhưng trở nên hoàn toàn là một trong hai khi bạn chú ý. Cùng với đó, hacker sẽ ngay lập tức thay đổi trạng thái của photon tạo nên khóa, điều này có nghĩa là lý thuyết, việc hack là vô lý về mặt vật lý. (Trong thực tế, phần cứng không hoàn hảo: Các cảm biến kém tính đếm photon đơn, điều này có thể khiến bạn nghĩ rằng bạn đã bị hack khi thực tế không phải, và một hacker có thể đánh lừa bộ cảm biến của bạn bằng cách chiếu ánh sáng sáng vào nó.)
Việc phóng này—và thực nghiệm thực tế—đã mất rất nhiều thời gian. Jian-Wei Pan của Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc, nhà vật lý đứng đầu dự án, đã đề xuất thử nghiệm vệ tinh từ năm 2003. Đội ngũ của anh gồm khoảng 100 người đã thiết kế, xây dựng và điều chỉnh hệ thống laser và vệ tinh qua nhiều năm. Họ thực hiện thử nghiệm thử trên mặt đất trước: gửi các khóa lượng tử chỉ vài dặm lúc đầu, và dần dần tăng khoảng cách.
Nhưng họ tiến triển nhanh so với phần còn lại của lĩnh vực, theo lời của nhà vật lý Thomas Jennewein của Đại học Waterloo ở Canada, người gần đây đã gửi một khóa lượng tử từ mặt đất lên một máy bay. Cách đây vài năm, Jennewein đã làm việc trên một chơi xổ số xuất để thực hiện các thí nghiệm tương tự trên Trạm Vũ trụ Quốc tế. “Không có dự án nào thực sự đi xa hơn giai đoạn nghiên cứu vì sự phức tạp và chi phí và mọi thứ,” anh nói. “Nhưng họ chỉ cần làm điều đó. Tuyệt vời.”
Lý do họ có thể làm điều đó nhanh chóng là vì những người ở cấp cao nhất của chính phủ Trung Quốc ưu tiên dự án này, theo lời Denis Simon của Đại học Duke Kunshan, một chuyên gia về chính sách khoa học Trung Quốc. Bởi vì những người lớn muốn nó, nhóm không phải trải qua các bước thường trực của quy trình cấp vốn, anh ta nói. Chính phủ đặc biệt quan tâm đến công nghệ này vì muốn có truyền thông an toàn lượng tử vì lợi ích quốc gia. “Chính phủ Trung Quốc muốn giao tiếp với tàu hải quân của họ, với các hoạt động ở Biển Đông,” ông nói. “Họ muốn làm nhiều điều với nó.”
Trong khi đó, các nhà nghiên cứu ở các quốc gia khác đang cố thực hiện các thí nghiệm tương tự—nhưng với nhiều thủ tục bürocratic hơn. Nhóm của Diamanti đang chờ đợi phản hồi từ Cơ quan Vũ trụ Châu Âu về đề xuất phân phối các hạt lượng tử từ Trạm Vũ trụ Quốc tế đến một số trạm đất tiềm năng ở Châu Âu. Paul Kwiat, một nhà vật lý tại Đại học Illinois ở Urbana-Champaign, đang dẫn đầu những nỗ lực của Mỹ để thực hiện một thí nghiệm tương tự trên ISS với NASA.
Nhưng không ai có kế hoạch nhiều tham vọng như Trung Quốc. Lu nói nhóm của anh đang lên kế hoạch thực hiện cùng một thí nghiệm từ một vệ tinh mới với quỹ đạo cao hơn, có thể gửi khóa lượng tử giữa các thành phố xa nhau hơn. Họ muốn trao đổi khóa lượng tử giữa Trung Quốc và Áo, nơi một số đối tác làm việc. Đến năm 2030, Pan đã nói rằng Trung Quốc kế hoạch phóng một đội vệ tinh như vậy để tạo ra một mạng lưới toàn cầu. “Chúng tôi rất may mắn và hưởng lợi từ một hệ thống ra quyết định nhanh,” Lu nói. Không có gì tốt hơn khi các lợi ích chính trị và khoa học trùng khớp.
