Một nhóm nghiên cứu Hoa Kỳ gồm các nhà nghiên cứu từ Trung tâm Truyền thông và Máy tính Quang tử (CPCC) và Trung tâm Nghiên cứu Internet Tiên tiến Quốc tế (ICAIR) tại Đại học Northwestern ở Illinois đã có bước tiến đáng kể trong lĩnh vực truyền thông lượng tử bằng cách thực hiện dịch chuyển tức thời lượng tử trên cáp quang hiện đang được sử dụng cho lưu lượng truy cập internet thông thường. Bước đột phá lớn này mở ra khả năng tích hợp loại hình truyền thông này vào cơ sở hạ tầng hiện có, do đó tránh được việc xây dựng tốn kém các mạng chuyên dụng đồng thời mở đường cho việc trao đổi thông tin nhanh hơn và an toàn hơn.
Sự cùng tồn tại giữa dữ liệu lượng tử và dữ liệu cổ điển trên cùng một môi trường vật lý trước đây được coi là không thể xảy ra do tính dễ vỡ của tín hiệu lượng tử. Việc truyền các photon đơn lẻ mang thông tin lượng tử qua cáp chứa hàng triệu hạt ánh sáng cổ điển dường như là một trở ngại không thể vượt qua. Có thể nói rằng các nhà nghiên cứu đã đạt được một kỳ tích thực nghiệm thực sự.
Dịch chuyển tức thời lượng tử không bao gồm việc vận chuyển thông tin vật lý như vậy. Nó dựa trên nguyên lý vướng víu lượng tử, trong đó hai hạt được liên kết theo cách mà trạng thái lượng tử của chúng – tức là tất cả thông tin và đặc điểm có sẵn về chúng – đều có mối tương quan, bất kể khoảng cách giữa chúng. Thay vì gửi thông tin theo cách vật lý, trạng thái lượng tử được truyền từ hạt này sang hạt khác, như thể thông tin được "dịch chuyển tức thời" từ điểm này sang điểm khác.
Trong thực tế, thông tin lượng tử được mã hóa trong các photon đơn lẻ, trong khi tín hiệu cổ điển sử dụng hàng triệu photon. Truyền thông lượng tử, có khả năng chỉ bị giới hạn bởi tốc độ ánh sáng, hứa hẹn trao đổi thông tin gần như tức thời và tăng cường bảo mật: việc không truyền thông tin vật lý giúp loại bỏ mọi rủi ro bị chặn trong suốt hành trình, không giống như các hệ thống cổ điển.
© Đại học Northwestern, Optica Thách thức chính là tránh nhiễu giữa các tín hiệu lượng tử cực kỳ nhạy cảm và luồng dữ liệu cổ điển khổng lồ. Các nhà nghiên cứu đã giải quyết vấn đề này bằng cách xác định các bước sóng cụ thể mà tại đó sự tán xạ ánh sáng là tối thiểu. Bằng cách đặt các photon lượng tử trong các cửa sổ quang phổ này và sử dụng các bộ lọc đặc biệt để giảm nhiễu do truyền dẫn cổ điển trong sợi quang tạo ra, họ đã có thể bảo toàn được tính toàn vẹn của thông tin lượng tử. Thí nghiệm được tiến hành trên khoảng cách khoảng ba mươi km đã chứng minh tính khả thi của phương pháp này: kết quả cho thấy dịch chuyển tức thời lượng tử, ngay cả khi có lưu lượng truy cập internet lớn, vẫn có thể thực hiện được mà không làm giảm đáng kể chất lượng.
Một thí nghiệm bổ sung đã diễn ra ở Ý, nơi có sự hợp tác giữa Retelit (công ty viễn thông B2B hàng đầu của Ý), đơn vị tích hợp hệ thống chuyên về viễn thông, giải pháp kỹ thuật số và di động điện tử Telebit và ThinkQuantum (một công ty tách ra từ Đại học Padua) đã sử dụng thành công phân phối khóa lượng tử (Phân phối khóa lượng tử, hay QKD) để bảo mật dữ liệu được truyền qua cáp quang. Phương pháp này dựa trên các nguyên tắc của cơ học lượng tử và cụ thể hơn là cho phép tạo và phân phối khóa mã hóa một cách an toàn. Nó đảm bảo rằng cả người gửi và người nhận đều biết về bất kỳ nỗ lực chặn nào và sau đó ngắt liên lạc, khiến bất kỳ hành vi đánh cắp dữ liệu nào cũng không thể xảy ra.
© Universita degli Studi di Padova, arxiv Thí nghiệm được tiến hành trên nhiều km sợi quang giữa Treviso và thị trấn Mestre ở vùng Venice, chứng minh rằng QKD có thể cùng tồn tại với các kênh dữ liệu cổ điển, đồng thời sử dụng các tần số khác nhau trên cùng một sợi quang.
Các nhà nghiên cứu hiện đang có kế hoạch mở rộng các thí nghiệm của họ trên khoảng cách xa hơn và với nhiều cặp photon vướng víu, để chứng minh khái niệm hoán đổi vướng víu, một bước quan trọng khác hướng tới mạng lượng tử phân tán. Mục tiêu dài hạn hơn là tiến hành các thí nghiệm bên ngoài phòng thí nghiệm, nơi các điều kiện được kiểm soát, để xác nhận tính phù hợp của những tiến bộ này trong điều kiện hoạt động. Việc áp dụng các công nghệ này vào mạng lưới truyền thông thực tế vẫn là một thách thức lớn, vì việc chuyển sang cáp ngầm và trên khoảng cách xa có thể tạo ra những khó khăn mới: vướng víu lượng tử là một hiện tượng mong manh, dễ bị nhiễu và mất tính kết hợp.
Vẫn còn một chặng đường dài phía trước: việc làm cho truyền thông lượng tử có thể tiếp cận được với tất cả mọi người và chuyển đổi cách chúng ta giao tiếp và trao đổi thông tin vẫn sẽ đòi hỏi những nỗ lực đáng kể, với nhiều trở ngại vẫn phải vượt qua. Chúng tôi đặc biệt nghĩ đến chi phí liên quan đến việc sản xuất các thành phần lượng tử, nguồn photon đơn, máy dò hoặc thậm chí là thiết bị điều khiển…
Nguồn: Optica
Sự cùng tồn tại giữa dữ liệu lượng tử và dữ liệu cổ điển trên cùng một môi trường vật lý trước đây được coi là không thể xảy ra do tính dễ vỡ của tín hiệu lượng tử. Việc truyền các photon đơn lẻ mang thông tin lượng tử qua cáp chứa hàng triệu hạt ánh sáng cổ điển dường như là một trở ngại không thể vượt qua. Có thể nói rằng các nhà nghiên cứu đã đạt được một kỳ tích thực nghiệm thực sự.
Dịch chuyển tức thời các trạng thái lượng tử để truyền tải thông tin
Dịch chuyển tức thời lượng tử không bao gồm việc vận chuyển thông tin vật lý như vậy. Nó dựa trên nguyên lý vướng víu lượng tử, trong đó hai hạt được liên kết theo cách mà trạng thái lượng tử của chúng – tức là tất cả thông tin và đặc điểm có sẵn về chúng – đều có mối tương quan, bất kể khoảng cách giữa chúng. Thay vì gửi thông tin theo cách vật lý, trạng thái lượng tử được truyền từ hạt này sang hạt khác, như thể thông tin được "dịch chuyển tức thời" từ điểm này sang điểm khác.
Trong thực tế, thông tin lượng tử được mã hóa trong các photon đơn lẻ, trong khi tín hiệu cổ điển sử dụng hàng triệu photon. Truyền thông lượng tử, có khả năng chỉ bị giới hạn bởi tốc độ ánh sáng, hứa hẹn trao đổi thông tin gần như tức thời và tăng cường bảo mật: việc không truyền thông tin vật lý giúp loại bỏ mọi rủi ro bị chặn trong suốt hành trình, không giống như các hệ thống cổ điển.
Khóa lượng tử để phát hiện mọi nỗ lực chặn bắt
Một thí nghiệm bổ sung đã diễn ra ở Ý, nơi có sự hợp tác giữa Retelit (công ty viễn thông B2B hàng đầu của Ý), đơn vị tích hợp hệ thống chuyên về viễn thông, giải pháp kỹ thuật số và di động điện tử Telebit và ThinkQuantum (một công ty tách ra từ Đại học Padua) đã sử dụng thành công phân phối khóa lượng tử (Phân phối khóa lượng tử, hay QKD) để bảo mật dữ liệu được truyền qua cáp quang. Phương pháp này dựa trên các nguyên tắc của cơ học lượng tử và cụ thể hơn là cho phép tạo và phân phối khóa mã hóa một cách an toàn. Nó đảm bảo rằng cả người gửi và người nhận đều biết về bất kỳ nỗ lực chặn nào và sau đó ngắt liên lạc, khiến bất kỳ hành vi đánh cắp dữ liệu nào cũng không thể xảy ra.
Viễn tải lượng tử vẫn chưa rời khỏi phòng thí nghiệm
Các nhà nghiên cứu hiện đang có kế hoạch mở rộng các thí nghiệm của họ trên khoảng cách xa hơn và với nhiều cặp photon vướng víu, để chứng minh khái niệm hoán đổi vướng víu, một bước quan trọng khác hướng tới mạng lượng tử phân tán. Mục tiêu dài hạn hơn là tiến hành các thí nghiệm bên ngoài phòng thí nghiệm, nơi các điều kiện được kiểm soát, để xác nhận tính phù hợp của những tiến bộ này trong điều kiện hoạt động. Việc áp dụng các công nghệ này vào mạng lưới truyền thông thực tế vẫn là một thách thức lớn, vì việc chuyển sang cáp ngầm và trên khoảng cách xa có thể tạo ra những khó khăn mới: vướng víu lượng tử là một hiện tượng mong manh, dễ bị nhiễu và mất tính kết hợp.
Vẫn còn một chặng đường dài phía trước: việc làm cho truyền thông lượng tử có thể tiếp cận được với tất cả mọi người và chuyển đổi cách chúng ta giao tiếp và trao đổi thông tin vẫn sẽ đòi hỏi những nỗ lực đáng kể, với nhiều trở ngại vẫn phải vượt qua. Chúng tôi đặc biệt nghĩ đến chi phí liên quan đến việc sản xuất các thành phần lượng tử, nguồn photon đơn, máy dò hoặc thậm chí là thiết bị điều khiển…
Nguồn: Optica
