Mạng Internet lượng tử hiện đang được Mỹ lên kế hoạch xây dựng trong vòng 10 năm tới. Toàn bộ dự án được kỳ vọng sẽ hoàn thành trong một thập kỷ. Và đem tới khả năng gần như chống hack hoàn toàn.

Theo lý thuyết, mạng Internet lượng tử sẽ nhanh và an toàn hơn nhiều so với mạng kỹ thuật số truyền thống; mà chúng ta đang sử dụng hàng ngày. Và ngay lúc này mạng Internet lượng tử đang tiến gần hơn với thực tế. Các nhà khoa học đã sử dụng dịch chuyển lượng tử để gửi thông tin đến một khoảng cách xa; với độ chính xác cao hơn bao giờ hết. Tốc độ của Internet lượng tử là gần như tức thời.

Trong một cuộc trình diễn về dịch chuyển lượng tử độ chính xác cao tại Mạng lượng tử Fermilab (nguồn: Fermilab)

Mạng lượng tử

Mạng lượng tử là mạng lưới truyền thông hoạt động dựa trên các nguyên tắc của cơ học lượng tử; đặc biệt là cơ chế liên đới lượng tử.

Liên đới lượng tử là gì?

Liên đới lượng tử là một hiệu ứng trong cơ học lượng tử, trong đó trạng thái lượng tử của hai hay nhiều vật thể có liên hệ với nhau; dù chúng cách xa tới mức nào, thậm chí là tới khoảng cách lên tới cả nhiều năm ánh sáng. Hiện tượng kỳ lạ này, nghe có vẻ giống như khoa học viễn tưởng đối với những lý thuyết chú trọng vật lý – cổ điển của chúng ta. Về cơ bản, hai hoặc nhiều hạt có thể liên kết với nhau và quấn vào nhau đến mức thay đổi trạng thái của một hạt; sẽ thay đổi ngay lập tức trạng thái của các hạt cộng sự của nó – bất kể chúng cách xa nhau như thế nào.

Cơ chế này – mà Einstein tự gọi là “spooky” có thể được khai thác để tạo ra các mạng lượng tử. Các cặp photon có thể bị quấn vào nhau và tách rời nhau; cho phép dữ liệu được “dịch chuyển” giữa chúng trong một khoảng cách dài. Đặc biệt, các mạng này có thể an toàn hơn; vì bất kì Hacker nào cố gắng đánh cắp dữ liệu, khi đọc dữ liệu sẽ bị sai lệch.

Ứng dụng

Hiệu ứng liên đới lượng tử được ứng dụng trong các công nghệ như tính toán lượng tử; mật mã lượng tử, viễn tải lượng tử. Hiệu ứng này, được khẳng định bởi quan sát thực nghiệm.

Độ chính xác

Giờ đây, các nhà nghiên cứu tại Fermilab, AT&T, Caltech, Harvard, NASA JPL và Đại học Calgary đã chứng minh khả năng dịch chuyển lượng tử bền vững, rất chính xác trong khoảng cách xa. Nhóm nghiên cứu gửi thông tin qua 44 km (27 dặm) với độ chính xác hơn 90 phần trăm – một kỷ lục chính xác cho khoảng cách này.

Để làm như vậy, nhóm đã thêm một “trung điểm” thứ ba ở giữa, giữa người gửi và người nhận. Để lấy thông tin từ A đến B, trước tiên cả hai bên gửi một photon đến C. Người nhận, B, gửi một phần tử của một cặp liên đới và giữ phần còn lại. Khi các photon của A và B gặp nhau tại C, chúng bị vướng vào nhau; do đó thông tin từ photon của A được chuyển tới cả hai photon của B – photon mà nó gửi đi và photon mà nó giữ lại – nhờ liên kết liên đới lượng tử. Trên thực tế, nó về cơ bản giống như dịch chuyển thông tin từ A đến B.

Thực tế

Đó không phải là khoảng cách xa nhất mà dịch chuyển lượng tử đã đạt được. Vào năm 2015 thông tin đã được dịch chuyển qua sợi cáp quang hơn 100 km (62 dặm); và vào năm 2017 các nhà khoa học Trung Quốc phá kỷ lục bằng cách có hiệu quả dịch chuyển dữ liệu qua 1.200 km (746 dặm) bằng cách sử dụng một vệ tinh là trung điểm.

Nhưng các thí nghiệm mới đánh dấu một bước đột phá về độ chính xác trong khoảng cách dài. Ví dụ, kỷ lục 100 km có độ chính xác khoảng 80%; vì vậy 90% là một cải tiến ấn tượng. Nhóm nghiên cứu cũng nói rằng thiết lập thử nghiệm chủ yếu bao gồm các thành phần có sẵn; có nghĩa là một internet lượng tử trong tương lai sẽ có thể được xây dựng bằng cách sử dụng cơ sở hạ tầng hiện có.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí PRX Quantum.

Bất cập

Cho tới nay, có một số thách thức to lớn trong việc chế tạo các con chip lượng tử để vận hành mạng lượng tử.

Theo như giải thích của các nhà khoa học; chỉ cần xuất hiện một âm thanh hay sự phân tán không dự tính cũng có thể gây mất dữ liệu. Những máy tính lượng tử sử dụng các kim loại siêu dẫn được bảo quản trong nhiệt độ siêu lạnh. Intel cho biết, chúng phải hoạt động ở mức nhiệt độ “20 millikelvin”; lạnh gấp 250 lần so với nhiệt độ trong vũ trụ. Tuy nhiên, điều kiện về nhiệt độ này rất khó để tạo ra và duy trì.

Môi trường siêu lạnh không phải là vấn đề duy nhất. Khi người ta gia tăng quy mô một hệ thống máy tính lượng tử bằng cách bổ sung thêm các qubit; hệ thống này rất dễ gặp trục trặc trong nhiều trường hợp.

Nguồn: Fermilab, Caltech, Cnet.

Cai Vinh Hiếu