Mỹ vừa đạt được một bước tiến vượt bậc chưa từng có: Dịch chuyển tức thời tín hiệu ánh sáng qua một khoảng cách mà trước đây được cho là "không thể thực hiện".

Mặc dù việc dịch chuyển tức thời cơ thể con người xuyên không gian vẫn chưa thể thực hiện, nhưng khám phá này đang mở ra khả năng xây dựng mạng internet lượng tử trong tương lai.

Trong một bước tiến đột phá, các nhà nghiên cứu Mỹ đã lần đầu tiên thành công trong việc dịch chuyển trạng thái lượng tử của ánh sáng qua hơn 30 km cáp quang giữa các dòng Internet đang hoạt động. Thành công này, vốn từng được xem là điều không thể, mở ra cơ hội phát triển mạng máy tính lượng tử và các hệ thống bảo mật thông tin tiên tiến trong tương lai.

Giáo sư Prem Kumar, kỹ sư máy tính tại Đại học Northwestern và là người đứng đầu nghiên cứu, không giấu được sự phấn khích khi chia sẻ: " Đây là một kết quả cực kỳ thú vị bởi không ai nghĩ rằng nó là có thể thực hiện được. Công trình của chúng tôi cho thấy con đường hướng tới thế hệ mạng lượng tử và cổ điển tiếp theo có thể chia sẻ cùng một cơ sở hạ tầng cáp quang. Về cơ bản, nó mở ra cánh cửa đưa truyền thông lượng tử lên tầm cao mới ."

Để hiểu rõ hơn về tầm quan trọng của nghiên cứu này, trước tiên ta cần làm sáng tỏ khái niệm "dịch chuyển lượng tử" – thuật ngữ này thường dễ gây nhầm lẫn do ảnh hưởng từ các bộ phim khoa học viễn tưởng như Star Trek. Thay vì dịch chuyển vật chất từ nơi này sang nơi khác, dịch chuyển lượng tử thực chất là quá trình truyền tải trạng thái lượng tử của một vật thể đến một vật thể khác ở xa.

Cụ thể hơn, quá trình này thực hiện bằng cách sao chép khả năng lượng tử của một vật thể tại một vị trí, sau đó phá hủy nó một cách cẩn thận, rồi tái tạo lại sự cân bằng khả năng đó lên một vật thể tương tự ở vị trí khác. Mặc dù việc đo lường hai vật thể này sẽ quyết định số phận của chúng trong khoảnh khắc đó, nhưng việc kết nối các đặc tính lượng tử của chúng vẫn đòi hỏi việc gửi một sóng thông tin duy nhất qua không gian.

Thách thức lớn nhất mà các nhà khoa học phải đối mặt trong quá trình này là bảo vệ trạng thái lượng tử khỏi hiện tượng "mất kết dính" (decoherence). Trạng thái lượng tử của bất kỳ vật thể nào giống như kẹo bông trong mưa xuân, một vệt mờ của khả năng có thể tan biến thành thực tế ngay khi vừa mới hình thành.

Sóng điện từ từ bức xạ và sự va chạm nhiệt của các hạt chuyển động nhanh chóng làm mất đi tính chất lượng tử, khiến nó trở thành sự mất kết dính nếu không được bảo vệ đúng cách.

Việc bảo vệ trạng thái lượng tử bên trong máy tính đã là một thách thức lớn, nhưng việc truyền một photon đơn qua những sợi quang đang đầy ắp các giao dịch ngân hàng, video mèo, và tin nhắn văn bản mà vẫn bảo vệ được trạng thái lượng tử của nó lại khó khăn gấp bội. Điều này giống như việc bạn ném kẹo bông lượng tử của mình xuống sông Mississippi và hy vọng nó vẫn giữ được độ ngon khi đến nơi.

Để bảo vệ trạng thái quý giá của photon này trong dòng lưu lượng Internet 400 gigabit mỗi giây, nhóm nghiên cứu đã áp dụng nhiều kỹ thuật để hạn chế kênh photon và giảm thiểu khả năng nó bị phân tán và pha trộn với các sóng khác.

" Chúng tôi đã nghiên cứu cẩn thận cách ánh sáng bị phân tán và đặt các photon của mình ở một vị trí chiến lược để giảm thiểu cơ chế phân tán đó ," Kumar giải thích. " Chúng tôi nhận thấy có thể thực hiện truyền thông lượng tử mà không bị nhiễu từ các kênh cổ điển đang hiện diện đồng thời ."

Mặc dù các nhóm nghiên cứu khác đã thành công trong việc truyền thông tin lượng tử cùng với dòng dữ liệu cổ điển trong môi trường mô phỏng Internet, nhóm của Kumar là nhóm đầu tiên thành công trong việc dịch chuyển một trạng thái lượng tử đồng thời với một dòng Internet thực tế. Điều này đánh dấu một bước tiến quan trọng trong việc kết hợp công nghệ lượng tử với cơ sở hạ tầng hiện có.

Tầm quan trọng thực tiễn của thành tựu này không thể coi nhẹ. Mặc dù người dùng Internet thông thường sẽ không nhận thấy sự khác biệt khi duyệt web hay xem video, công nghệ này có tiềm năng cách mạng hóa nhiều lĩnh vực trong khoa học và công nghệ thông tin.

Đầu tiên, dịch chuyển lượng tử mở ra khả năng xây dựng mạng máy tính lượng tử - hệ thống có thể thực hiện các phép tính phức tạp vượt xa khả năng của máy tính truyền thống. Trong khi máy tính lượng tử hiện đại yêu cầu một môi trường cực kỳ ổn định và nhiệt độ gần như tuyệt đối không, việc truyền thông tin lượng tử qua mạng hiện tại sẽ kết nối các máy tính này lại, tạo thành một mạng lưới tính toán mạnh mẽ chưa từng có.

Thứ hai, bảo mật thông tin - một trong những ứng dụng hứa hẹn nhất của lượng tử học - sẽ được nâng lên tầm cao mới. Các hệ thống mã hóa dựa trên nguyên lý lượng tử được cho là không thể bị phá vỡ theo lý thuyết. Với khả năng truyền tải thông tin lượng tử qua mạng Internet hiện có, chúng ta sẽ chứng kiến sự ra đời của các hệ thống bảo mật "bất khả xâm phạm" trong tương lai gần.

"Dịch chuyển lượng tử có khả năng cung cấp kết nối lượng tử an toàn giữa các nút địa lý cách xa nhau," Kumar nhấn mạnh. " Nhưng nhiều người từ lâu đã giả định rằng không ai sẽ 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 cần phải xây dựng cơ sở hạ tầng mới. Truyền thông cổ điển và truyền thông lượng tử có thể cùng tồn tại ."