Internet lượng tử - tiến gần đến hiện thực

08:52, 23/11/2024

Những nghiên cứu gần đây của các nhà khoa học đã chứng minh rằng Internet lượng tử đang ngày càng trở thành hiện thực bởi những ứng dụng và những giá trị to lớn mà nó mang lại cho cuộc sống của nhân loại.

Tóm tắt:
- Giấc mơ về Internet lượng tử không còn quá xa vời.
- Internet lượng tử là vào một thời điểm nào đó trong tương lai tồn tại một mạng máy tính lượng tử sẽ gửi, tính toán và nhận thông tin được mã hóa ở trạng thái lượng tử.
- Internet lượng tử có thể cho phép hai người dùng bất kỳ thiết lập các khóa mật mã gần như không thể phá vỡ để bảo vệ thông tin nhạy cảm.
- Công việc nâng cấp quy mô truyền dữ liệu lượng tử đang diễn ra nhanh chóng.
- Còn nhiều vấn đề cần được giải quyết trước khi Internet lượng tử trở thành hiện thực.
- “Hoán đổi vướng víu” và “dịch chuyển tức thời” được coi là những bước phát triển quan trọng nhằm tiến gần hơn đến mạng Internet lượng tử.

Internet lượng tử?

Khái niệm về Internet lượng tử là vào một thời điểm nào đó trong tương lai không xác định sẽ tồn tại một mạng (hoặc các mạng) máy tính lượng tử sẽ gửi, tính toán và nhận thông tin được mã hóa ở trạng thái lượng tử. Internet lượng tử sẽ không thay thế cho “Internet cổ điển” nhưng sẽ tăng cường cho nó những chức năng mới, bao gồm mật mã lượng tử và điện toán đám mây lượng tử.

“Internet lượng tử sẽ không thay thế mạng Internet thông thường mà kết hợp với nhau”, Stephanie Wehner, giáo sư thông tin lượng tử ở Đại học Công nghệ Delft tại Hà Lan, người điều phối Liên minh Internet lượng tử QIA chia sẻ. QIA là dự án quy tụ nhiều viện nghiên cứu và công ty trên khắp châu Âu. QIA nhận được kinh phí 25,5 triệu USD từ EU trong 3,5 năm, đến cuối tháng 3/2026. Người ta hy vọng rằng cuối cùng, một mạng Internet lượng tử toàn cầu sẽ sẵn sàng phục vụ toàn nhân loại, nhưng với thực tế địa chính trị đang ngày càng khó khăn này, giấc mơ đó dường như khó có thể sớm thành hiện thực.

Vướng víu lượng tử

Cơ học lượng tử là một lý thuyết cơ bản trong vật lý học, miêu tả lại các tính chất vật lý của tự nhiên ở cấp độ nguyên tử hay hạt hạ nguyên tử. Nó là cơ sở của mọi lý thuyết vật lý lượng tử bao gồm: hóa học lượng tử, lý thuyết trường lượng tử, khoa học thông tin lượng tử và công nghệ lượng tử. Trong đó, công nghệ lượng tử có tên tiếng Anh là Quantum Technology. Đây là một lĩnh vực công nghệ mới kết hợp giữa vật lý và kỹ thuật để chuyển tiếp một số tính năng của cơ học lượng tử vào ứng dụng trong cuộc sống. Những sản phẩm công nghệ được nghiên cứu và tạo ra dựa trên công nghệ cơ lượng tử hầu hết đều mang lại những giá trị thiết thực.

Theo Hội đồng Nghiên cứu Khoa học vật lý và Kỹ thuật Anh (EPSRC), có rất nhiều công nghệ ngày nay như micro chip, thiết bị hình ảnh thể rắn, laser, bóng bán dẫn... được tạo ra nhờ vật lý lượng tử.

Kế đó còn có cảm biến lượng tử, máy tính lượng tử, Internet lượng tử...

Một khái niệm quan trọng trong vật lý lượng tử là vướng víu lượng tử. Vướng víu lượng tử hay còn được gọi là rối lượng tử hoặc liên đới lượng tử (Quantum Entanglement) là một hiệu ứng của cơ học lượng tử, trong đó trạng thái lượng tử của hai hay nhiều vật thể có liên hệ với nhau, dù chúng nằm cách xa nhau tới đâu. Nếu hai hạt bị rối, bất kể chúng ở xa bao nhiêu trong không gian, chúng vẫn sở hữu đặc tính tương tự. Ví dụ, cả hai có cùng “spin”, biểu thị hướng mômen động lượng nội tại của một hạt cơ bản. Trạng thái spin của hạt không rõ ràng cho tới khi được quan sát. Trước đó, chúng ở nhiều trạng trái gọi là chồng chập. Nhưng khi đã quan sát, trạng thái của cả hai hạt đều được xác định rõ.

Ví dụ, có thể tạo ra hai vật thể sao cho nếu quan sát thấy spin (mô-men động lượng riêng) của vật thứ nhất quay xuống dưới, thì spin của vật kia sẽ phải quay lên trên, hoặc ngược lại; dù cho cơ học lượng tử không tiên đoán trước kết quả phép đo trên vật thứ nhất. Điều này nghĩa là phép đo thực hiện trên vật thể này sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến trạng thái lượng tử trên vật thể vướng víu lượng tử với nó. Điều này rất hữu ích trong an toàn truyền tin. Những người lén lấy dữ liệu truyền lượng tử sẽ để lại dấu vết rõ ràng thông qua tạo ra thay đổi ở trạng thái của hạt đã quan sát. “Chúng tôi có thể sử dụng đặc tính của rối lượng tử để đạt được một biện pháp truyền tin an toàn ngay cả khi kẻ tấn công có máy tính lượng tử”, Wehner giải thích.

Internet lượng tử có thể cho phép hai người dùng bất kỳ thiết lập các khóa mật mã gần như không thể phá vỡ để bảo vệ thông tin nhạy cảm. Nhưng việc sử dụng triệt để sự vướng víu có thể làm được nhiều việc hơn, chẳng hạn như kết nối các máy tính lượng tử riêng biệt thành một cỗ máy lớn hơn, mạnh hơn. Công nghệ này cũng có thể cho phép thực hiện một số loại thí nghiệm khoa học nhất định, ví dụ bằng cách tạo ra mạng lưới kính thiên văn quang học có độ phân giải của một đĩa đơn rộng hàng trăm km.

Chuyến hành trình ngược không gian và thời gian

Einstein gọi sự vướng víu lượng tử là “sự tương tác ma quái ở khoảng cách xa”: Đó là một hiện tượng khó hiểu mà theo đó một hạt nguyên tử có thể ngay lập tức “biết” điều gì đó về một hạt khác bất kể khoảng cách giữa chúng, dù là nanomet hay xuyên vũ trụ. Sự vướng víu lượng tử dường như chỉ ra rằng có thể vượt quá vận tốc ánh sáng trong chân không, chính xác là 299.792.458 m/s, hay gần 186.282 mile/s. Đây là hằng số phổ quát và giới hạn tốc độ mà chính Einstein đã nói là không thể vượt qua - nhưng có lẽ không phải vậy.

Cơ học lượng tử cho thấy các hạt hạ nguyên tử hành xử theo cách hoàn toàn khác với các định luật liên quan đến thế giới vĩ mô, vì sự vướng víu lượng tử cho phép các hạt giao tiếp ngay lập tức. Để chứng minh tuổi thọ có thể có của sự vướng víu lượng tử, các nhà khoa học từ Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã tiến hành một thí nghiệm trong đó có tới 100.000 cặp photon vướng víu có thể chứng minh được đã được phát hiện và đo bằng kính viễn vọng quang học nhìn ra khoảng cách vũ trụ. Những ngôi sao xa nhất được sử dụng trong thí nghiệm cách trái đất khoảng 600 năm ánh sáng - Nói cách khác, các photon vướng víu đã phát ra cách đây 600 năm. Đó là khoảng thời gian Đế chế Byzantine sụp đổ sau khi Constantinople rơi vào tay người Ottoman, khi Henry VI là Vua nước Anh và Dick Whittington qua đời.

Cuộc đua tạo ra mạng Internet lượng tử

Khi còn sống, Einstein cho rằng vướng víu lượng tử là một hiện tượng “ma quái” đến mức không thể chấp nhận, vì nó khẳng định “không gian” giữa các thực thể vật lý thực sự không trống rỗng như các giác quan của chúng ta vẫn cảm nhận, mà thông tin có thể di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng, thậm chí thông tin được truyền ngay lập tức mà không mất thời gian di chuyển.

Tuy nhiên, công việc thử nghiệm về phát triển các nút và mạng Internet lượng tử quy mô nhỏ đang được tiến hành ở nhiều nơi trên thế giới. Ví dụ, như trang web tin tức của Đại học Chicago đưa tin, vào năm 2017, một nhóm tại Đại học Khoa học và Công nghệ ở Bắc Kinh, Trung Quốc, đã tìm cách sử dụng công nghệ laser để truyền các photon vướng víu từ một vệ tinh quay quanh xuống các trạm mặt đất trên trái đất khoảng 700 dặm bên dưới.

Thí nghiệm cho thấy có thể sử dụng vệ tinh như một phần không thể thiếu của mạng lượng tử, nhưng vì hệ thống được thử nghiệm chỉ có thể phục hồi một trong số 6 triệu photon được truyền đi, nên bản thân giao tiếp trở nên khó hiểu. Theo tờ Washington Post, “đây là lần đầu tiên con người tạo ra các hạt bị vướng víu trong không gian, và gia tăng gấp 10 lần khoảng cách giữa các hạt bị vướng víu”.

Sau đó, vào tháng 4 năm 2019, các nhà khoa học từ Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven, Đại học Stony Brook và Mạng Khoa học Năng lượng toàn quốc của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đã đạt được sự vướng víu trên một sợi cáp quang dài hơn 10 dặm. Liên kết đó đã được mở rộng đến 80 dặm và bao gồm một nền tảng mạng lượng tử để tiến hành thử nghiệm.

9 tháng sau, vào tháng 4/2020, các nhóm nghiên cứu từ Đại học Chicago và Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ ở Lemont, Illinois, ngoại ô Chicago, đã thử nghiệm thành công vòng lặp lượng tử dài 54 dặm sử dụng cáp quang hiện có, chạy dưới vùng ngoại ô phía tây Chicago. Nó mang các xung quang học với độ trễ chỉ 200 mili giây, do đó thể hiện chức năng cốt lõi cần thiết khả thi để chạy một mạng Internet lượng tử.

Vào tháng 6/2022, một phần mở rộng dài 35 dặm đã được bổ sung và mạng Chicago hiện bao gồm 6 nút và 114 dặm cáp quang, thử nghiệm việc truyền các hạt mang thông tin được mã hóa lượng tử giữa Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne và hai địa điểm ở South Side của Chicago.

Theo tạp chí Nature, 3 nhóm nghiên cứu riêng biệt có trụ sở tại Mỹ, Trung Quốc và Hà Lan gần đây đã chứng minh thành công sự vướng víu trên vài km sợi quang hiện có ở khu vực thành thị. Kỳ tích này là một bước quan trọng hướng tới Internet lượng tử trong tương lai, một mạng có thể cho phép trao đổi thông tin trong khi được mã hóa ở trạng thái lượng tử.

Nhà vật lý Tracy Northup tại Đại học Innsbruck ở Áo cho biết, các thí nghiệm cùng nhau là “những minh chứng tiên tiến nhất cho đến nay” về công nghệ cần thiết cho Internet lượng tử. Mỗi nhóm trong số ba nhóm nghiên cứu - có trụ sở tại Hoa Kỳ, Trung Quốc và Hà Lan - đã có thể kết nối các phần của mạng bằng cách sử dụng các photon trong phần hồng ngoại thân thiện với sợi quang của quang phổ, đây là một “cột mốc quan trọng”, theo nhận định của nhà vật lý Simon Baier ở Innsbruck.

Tháng 5/2023, tiến sĩ Benjamin Lanyon ở Đại học Innsbruck tại Áo đạt một bước tiến quan trọng trong việc tạo ra một loại mạng Internet mới. Ông truyền thông tin dọc theo cáp quang dài 50 km, sử dụng những nguyên lý của vật lý lượng tử. Thông tin trong vật lý lượng tử khác với đơn vị dữ liệu là chữ số nhị phân được lưu trữ và xử lý bởi máy tính, cốt lõi của mạng World Wide Web hiện nay.

Thế giới vật lý lượng tử tập trung vào những đặc tính và tương tác của phân tử, nguyên tử và các hạt thậm chí nhỏ hơn như electrons và photons. Bit lượng tử hay qubit cung cấp tiềm năng truyền thông tin chính xác hơn, giúp ngăn chặn hành vi trộm cắp thông tin qua mạng. Lanyon cho biết nghiên cứu của ông sẽ giúp Internet lượng tử trở nên khả thi bên trong các thành phố, mục tiêu sau đó là khoảng cách liên thành phố. Đột phá của ông là một phần trong dự án nghiên cứu của Liên minh châu Âu (EU) nhằm tiến gần hơn đến mạng Internet lượng tử.

Vì vậy, những tiến bộ đang được thực hiện trong việc nâng cấp khả năng truyền dữ liệu lượng tử, trong khi rất nhiều nỗ lực nghiên cứu đang được thực hiện để ổn định các qubit nổi tiếng là không ổn định và hay thay đổi vốn là đơn vị thông tin cơ bản trong điện toán lượng tử. Trọng tâm là việc sử dụng các qubit có thể hoạt động ở nhiệt độ phòng thay vì ở nhiệt độ gần bằng 0 tuyệt đối. Hơn nữa, nếu Internet lượng tử muốn phát triển vượt xa những gì hiện tại có thể được mô tả là mạng khu vực nhỏ, thì tín hiệu lượng tử sẽ cần phải được khuếch đại khi chúng tiếp tục hành trình.

Hoán đổi lượng tử và bước tiến tạo ra Bộ lặp lượng tử

Sự vướng víu lượng tử đề cập đến kết nối được duy trì theo ‘không gian’, nhưng hiện tượng này cũng xảy ra theo thời gian. Năm 2013, một nhóm các nhà vật lý tại Đại học Hebrew Jerusalem báo cáo rằng họ đã làm vướng víu thành công các photon không đồng thời tồn tại (được tạo ra tại hai thời điểm khác nhau). Các thí nghiệm trước đây liên quan đến một kỹ thuật gọi là “hoán đổi vướng víu” (entanglement swapping) đã cho thấy mối tương quan lượng tử theo thời gian, bằng cách trì hoãn việc đo lường một trong các hạt bị vướng víu được tạo ra đồng thời; nhưng Eli Megidish và cộng sự của ông là người đầu tiên trình diễn sự vướng víu giữa các photon không được tạo ra đồng thời.

“Hoán đổi vướng víu” là một cách làm cho các hệ lượng tử chưa từng tương tác trong quá khứ trở nên vướng víu. Về cơ bản, nó hoạt động bằng cách tạo ra một sự vướng víu ở khoảng cách xa từ nhiều vướng víu ở khoảng cách ngắn: Mục tiêu chính của mạng lượng tử là phân phối sự vướng víu giữa các thành viên của mạng và sự phân bổ vướng víu này mở ra khả năng truyền qubit. Sự kết hợp của hai liên kết vướng víu khác nhau và riêng biệt có thể được thực hiện thông qua dịch chuyển tức thời lượng tử.

Dịch chuyển tức thời, theo đó các trạng thái lượng tử (tính bằng qubit) được chuyển sang trạng thái lượng tử khác. Dịch chuyển tức thời không truyền dữ liệu về mặt vật lý mà truyền trạng thái lượng tử của dữ liệu qua khoảng cách xa. Trong dịch chuyển tức thời lượng tử, một “mảnh” thông tin thực sự đi từ hạt này sang hạt khác mà không truyền qua vật lý giữa chúng. Nó di chuyển ngay lập tức nhưng không đi đâu cả. Đó là một kỳ tích rất khó đạt được ngay cả với một mẩu thông tin cực nhỏ và khái niệm Star Trek về việc tách cơ thể con người thành các nguyên tử cấu thành, dịch chuyển chúng và tập hợp lại chúng theo thứ tự hoàn hảo và không bị mất dữ liệu sẽ cần rất nhiều điện toán lượng tử được nối mạng.

Tuy nhiên, mặc dù ý tưởng về dịch chuyển tức thời gợi nhớ đến các tập phim truyền hình khoa học viễn tưởng những năm 1960, nhưng dịch chuyển tức thời đã được chứng minh hết lần này đến lần khác trong các thí nghiệm của các nhóm nghiên cứu khác nhau ở những nơi khác nhau trên thế giới. Trong một ví dụ, dịch chuyển tức thời giữa hai nút đã đạt được thông qua liên kết không gian trống dài hơn 143 km dọc và ngang qua sông Danube và qua đường lên từ mặt đất đến vệ tinh.

Việc kết nối các qubit trên khoảng cách lớn để hình thành mạng Internet lượng tử có thể là một trong những bước phát triển thú vị nhất trong công nghệ lượng tử, và giờ đây, một nhóm các nhà nghiên cứu tuyên bố đã thực hiện một trong những bước đầu tiên để biến điều này thành hiện thực - tạo ra một bộ lặp lượng tử.

Việc thêm bộ lặp/bộ khuếch đại vào công nghệ mạng truyền thống để tăng tín hiệu và gửi nó đi là đủ dễ dàng, nhưng thực hiện điều đó với một photon vướng víu chỉ đơn giản là phá hủy nó, cũng như dữ liệu mà nó đang mang theo. Tian Zhong, trợ lý giáo sư tại Trường Kỹ thuật phân tử Pritzker thuộc Đại học Chicago, đang nghiên cứu một phương pháp sử dụng bộ nhớ lượng tử để bảo vệ dữ liệu lượng tử khỏi sự mất kết hợp, về cơ bản là tạo ra rơle lượng tử để giữ nguyên qubit cho đến khi chúng đến đích được chỉ định. Đây là công việc vô cùng phức tạp nhưng nếu thành công có thể cho phép phát triển mạng Internet lượng tử có khả năng truyền và nhận thông tin ở bất cứ đâu trên trái đất.

Một phần quan trọng khác của trò chơi ghép hình Internet lượng tử, cần được đưa vào đúng vị trí, là việc truyền qubit từ khu vực này sang khu vực khác trên thế giới. Các hệ thống thử nghiệm hiện tại dựa vào truyền dẫn vệ tinh, rất đắt tiền, hoặc cáp quang, sẵn có và rẻ hơn rất nhiều. Do đó, các mạng lượng tử quy mô lớn đầu tiên sẽ khai thác công nghệ sợi quang hiện có, mặc dù thách thức là bản chất nội tại của môi trường vật lý đó giới hạn khoảng cách mà dữ liệu lượng tử mỏng manh có thể được truyền đi trước khi mất dữ liệu làm tổn hại đến hệ thống và khiến nó sụp đổ.

Đó là lý do tại sao nhiều nghiên cứu đang được dành riêng để xây dựng mạng lưới lượng tử trên toàn thành phố và tạo ra sự vướng víu trên các liên kết đó. Việc chứng minh rằng các mạng như vậy có thể hoạt động trong hoàn cảnh thực tế sẽ là tiền đề cần thiết cho các mạng lượng tử khu vực và sau này là quốc tế.

Tài liệu tham khảo:
1. Sarah Kaplan, washingtonpost.com, June 15, 2017 Quantum
entanglement, science’s ‘spookiest’ phenomenon, achieved
in space
2. Entanglement Swapping between Photons that have Never
Coexisted, E. Megidish, A. Halevy, T. Shacham, T. Dvir, L.
Dovrat, and H. S. Eisenberg, Phys. Rev. Lett. 110, 210403 -
Published 22 May 2013
3. Wheeler’s delayed-choice gedanken experiment with a
single atom, A. G. Manning, R. I. Khakimov, R. G. Dall & A. G.
Truscott, Nature Physics volume11, pages 539–542 (2015)
4. Experimental delayed-choice entanglement swapping,
Xiao-song Ma, Stefan Zotter, Johannes Kofler, Rupert Ursin,
Thomas Jennewein, Časlav Brukner & Anton Zeilinger Nature
Physics volume8, pages479-484 (2012)
5. Delayed choice for entanglement swapping ASHER
PERES Department of Physics, Technion-Israel Institute of
Technology, 32 000 Haifa, Israel
6. https://vi.wikipedia.org/
7. https://vnexpress.net/
8. https://www.nature.com/
9. https://khoahocphattrien.vn/
10. collective-evolution.com
11. https://www.telecomtv.com/