Bước đột phá trong dịch chuyển lượng tử: từ chấm lượng tử đến mạng internet siêu an toàn

Trong kỷ nguyên số hóa ngày càng phát triển, an ninh mạng đang đối mặt với những thách thức lớn từ các cuộc tấn công tinh vi, đặc biệt với sự hỗ trợ của trí tuệ nhân tạo. Để vượt qua hạn chế này, các nhà khoa học đang hướng tới một giải pháp cách mạng: mạng lượng tử, hay còn gọi là quantum internet. Mạng này hứa hẹn mang lại mức độ bảo mật tuyệt đối nhờ nguyên lý cơ học lượng tử, nơi bất kỳ nỗ lực can thiệp nào cũng sẽ để lại dấu vết ngay lập tức. Mới đây, một nhóm nghiên cứu tại Đức đã đạt được bước tiến quan trọng bằng cách thực hiện thành công dịch chuyển lượng tử (quantum teleportation) giữa các photon từ hai nguồn chấm lượng tử riêng biệt. Thành tựu này không chỉ mở đường cho việc truyền thông tin lượng tử đường dài mà còn là nền tảng cho việc xây dựng các bộ lặp lượng tử (quantum repeaters), giúp mở rộng quy mô mạng lượng tử toàn cầu.

Dịch chuyển lượng tử là một hiện tượng kỳ lạ trong cơ học lượng tử, được lý thuyết hóa lần đầu tiên vào năm 1993 bởi Charles Bennett và các cộng sự. Khái niệm này cho phép chuyển trạng thái lượng tử từ một hạt sang hạt khác mà không cần di chuyển vật lý hạt đó, dựa trên nguyên tắc vướng víu lượng tử (quantum entanglement). Theo đó, hai hạt vướng víu sẽ chia sẻ trạng thái chung, dù cách xa nhau hàng nghìn km. Bất kỳ thay đổi nào ở hạt này sẽ ảnh hưởng tức thì đến hạt kia, theo như Albert Einstein từng gọi là "tác động ma quái từ xa". Thí nghiệm đầu tiên chứng minh hiện tượng này được thực hiện năm 1997 bởi nhóm Anton Zeilinger tại Áo, sử dụng photon phân cực. Từ đó, các nghiên cứu đã tiến bộ, bao gồm dịch chuyển qua vệ tinh Trung Quốc năm 2017, truyền trạng thái lượng tử qua khoảng cách 1.200 km.

Trong nghiên cứu mới nhất từ Đại học Stuttgart, các nhà khoa học đã vượt qua thách thức lớn nhất: làm cho các photon từ các nguồn khác nhau trở nên gần như giống hệt nhau để thực hiện dịch chuyển. Họ sử dụng hai chấm lượng tử gallium arsenide (GaAs) – những cấu trúc nano bán dẫn có khả năng phát ra photon đơn lẻ với độ chính xác cao. Một chấm tạo ra photon đơn, được chuẩn bị ở các trạng thái phân cực khác nhau (ngang, chéo, tròn). Chấm còn lại sản sinh cặp photon vướng víu qua quá trình kích thích hai photon. Để khắc phục sự khác biệt về tần số và thời gian phát xạ, nhóm nghiên cứu áp dụng bộ chuyển đổi tần số lượng tử (quantum frequency converters) dựa trên waveguide lithium niobate phân cực định kỳ, chuyển photon từ bước sóng gần hồng ngoại (~780 nm) sang bước sóng viễn thông (1515 nm), phù hợp với cáp quang thông thường. Hiệu suất chuyển đổi đạt 47-49%, với độ trung thực vướng víu lên đến 0.97.

Thí nghiệm được thực hiện với hai chấm lượng tử đặt trong các tủ lạnh riêng biệt ở nhiệt độ 6 K, cách nhau qua đoạn cáp quang 10 mét. Photon đơn từ nguồn đầu tiên được giao thoa với một photon từ cặp vướng víu tại bộ đo Bell state, sử dụng bộ tách chùm tia sợi quang và máy dò dây nano siêu dẫn. Kết quả, trạng thái của photon đơn được dịch chuyển tức thì sang photon còn lại ở xa, với độ trung thực trung bình 0.721 (cao hơn giới hạn cổ điển 2/3), và tỷ lệ thành công hơn 70% sau khi lựa chọn thời gian 70 ps. Các yếu tố hạn chế như tách cấu trúc được mô hình hóa để tối ưu hóa.

So với các nghiên cứu trước, thành tựu này nổi bật vì sử dụng nguồn photon bán dẫn mang xác định, khác với các nguồn quang học ngẫu nhiên trước đây. Ví dụ, năm 2023, nhóm tại Đại học Chicago đã dịch chuyển qua mạng cáp quang đô thị, nhưng với nguồn photon không đồng nhất. Ở đây, việc tích hợp chấm lượng tử mở ra khả năng tích hợp với chip silicon, dễ dàng mở rộng. Hơn nữa, nghiên cứu trước của nhóm Stuttgart đã truyền vướng víu từ chấm lượng tử qua 36 km cáp quang thành phố, chứng tỏ tiềm năng đường dài.

Ứng dụng lớn nhất là phát triển thiết bị "làm mới" tín hiệu lượng tử mà không sao chép, tránh vi phạm định lý không nhân bản. Trong mạng lượng tử, tín hiệu photon dễ bị mất mát do hấp thụ trong sợi quang (khoảng 0.2 dB/km ở bước sóng telecom). Bộ lặp lượng tử sử dụng sự hoán đổi vướng víu để nối các đoạn ngắn thành đường dài, cho phép xây dựng mạng toàn cầu kết nối các máy tính lượng tử. Dự án này thuộc chương trình Quantenrepeater.Net của Đức, với hơn 40 tổ chức tham gia, hợp tác giữa Đại học Stuttgart, Saarland và Dresden.

Bước tiến này đánh dấu mốc quan trọng trên con đường xây dựng bao internet lượng tử, nơi thông tin được truyền an toàn, chống lại mọi hình thức nghe lén. Với tỷ lệ thành công cao và khả năng mở rộng khoảng cách, các nhà khoa học dự kiến sẽ đạt được dịch chuyển qua hàng km trong tương lai gần, nhờ tối ưu hóa chấm lượng tử và tích hợp bộ nhớ lượng tử. Cuối cùng, công nghệ này không chỉ cách mạng hóa an ninh mạng mà còn thúc đẩy các lĩnh vực như tính toán lượng tử phân tán và cảm biến chính xác cao, mang lại lợi ích to lớn cho xã hội.

Vista.gov.vn