Vệ tinh lượng tử của Trung Quốc lần đầu tiên truyền thành công hạt photon rối xuống Trái Đất bằng laser, đặt viên gạch nền móng cho mạng lưới liên lạc lượng tử

Ta đang dựa dẫm vào công nghệ nhiều hơn trước kia mà cụ thể ra, gần như mọi khía cạnh của cuộc sống hàng ngày có (và có thể có) sự kết hợp của công nghệ. Điều đó có nghĩa rằng chúng ta đang dựa vào hai công nghệ chính, hai điều khiến cho cuộc cách mạng kĩ thuật số này thành công: đó là công nghệ vệ tinh và công nghệ mã hóa.

Vệ tinh được dùng trong mọi thứ công nghệ kết nối, từ GPS cho tới TV, tới máy tính; phương thức mã hóa không chỉ được dùng để liên lạc với những cái vệ tinh này, mà còn để những cuộc trò chuyện giữa ta và người khác được riêng tư hơn.

Có một vấn đề nằm ở chỗ, công nghệ tính toán lượng tử gõ cửa nhà ta và chứng tỏ rằng phương pháp mã hóa hiện tại đang trở nên lỗi thời – công nghệ cũ khiến cho những tin nhắn bạn gửi cho người thân lẫn những mạng lưới liên lạc vệ tinh tối mật đứng trước nguy cơ bị lộ. Công nghệ liên lạc lượng tử an toàn hơn, và đó chính là lý do vì sao các nhà nghiên cứu cũng như chính phủ các nước đang cố gắng tìm ra một phương thức mã hóa lượng tử. Tuy nhiên, những nghiên cứu ấy đang vấp phải một rào cản lớn: đó chính là vũ trụ. Việc truyền tải dữ liệu thông qua khoảng không vũ trụ chẳng dễ dàng gì.

Nhưng theo hai báo cáo khoa học khác nhau được đăng tải bởi hai đội ngũ khác nhau, một tới từ Trung Quốc và một tới từ Châu Âu, ta thấy được việc xây dựng một mạng lưới vệ tinh lượng tử an toàn đang gần hơn bao giờ hết. Tại Trung Quốc, đội ngũ nghiên cứu sử dụng một vệ tinh lượng tử để xô đổ kỉ lục truyền tải dữ liệu của một hạt rối đã được lập ra trước đó. Trong khi ấy, đội ngũ từ Đức cho ta thấy rằng những vệ tinh hiện có trên quỹ đạo cũng có thể được sử dụng để truyền thông tin lượng tử.

Cũng dựa trên những nghiên cứu mới ấy, các nhà khoa học tin tưởng rằng ta có thể thấy được khởi đầu của một mạng lưới liên lạc bằng vệ tinh lượng tử sớm thôi. Có lẽ là chỉ trong vòng 5 năm tới.

Vệ tinh lượng tử đầu tiên của Trung Quốc được phóng lên quỹ đạo.

Ngay hiện tại, trên quỹ đạo cũng đã có một vệ tinh được trang bị công nghệ lượng tử rồi. Tháng Tám năm ngoài, Trung Quốc phóng lên không gian vệ tinh lượng tử đầu tiên, mang tên QUESS. Nó đánh dấu mốc đầu tiên trong tham vọng xây dựng một mạng lưới không-thể-hack-được của Trung Quốc, họ hy vọng tới năm 2030, hệ thống này sẽ đi vào hoạt động. Nhưng trước tiên, họ phải chứng minh được rằng cái vệ tinh đó hoạt động được.

Vừa mới đây, các nhà nghiên cứu Trugn Quốc thông báo rằng công nghệ này không chỉ khả thi, mà vệ tinh lượng tử của họ còn thành công trong việc truyền hạt photon rối với khoảng cách 1.200 km, xô đổ kỉ lục truyền hạt rối trước đây (chỉ được 102 km, truyền giữa hai trạm trên Trái Đất, lập ra bởi một đội ngũ nghiên cứu khác hồi năm 2012).

Một chút kiến thức để bạn hiểu hơn về công nghệ này. Hiện tượng rối lượng tử cho phép các hạt ở những địa điểm khác nhau có cùng một trạng thái lượng tử như nhau. Bạn có thể tượng tưởng ra một hạt duy nhất nhưng có thể tồn tại ở nhiều địa điểm, như thể chúng phân thân được vậy. Rối hạt lượng tử - thông thường là sử dụng những hạt ánh sáng (các photon) – là một cách gửi thông tin an toàn tuyệt vời, bởi lẽ việc “nghe trộm”, can thiệp vào việc truyền tin sẽ làm thay đổi trạng thái lượng tử của hạt, người nhận sẽ biết ngay được rằng đường truyền đã bị gián đoạn bởi tác động từ bên ngoài.

Mặc dù khả năng truyền thông tin ngay lập tức và truyền một cách an toàn thông qua việc thay đổi trạng thái lượng tử của hạt photon sẽ là một phương pháp liên lạc cực kì hiệu quả, việc truyền nó ở một khoảng cách xa vẫn là một bài toán khó.

Mặc dù các hạt rối có thể được truyền thông qua không khí hay qua đường cáp quang, cả hai cách đều không thể được sử dụng hiệu quả. Trên một quãng đường dài, việc rối lượng tử sẽ bị cách thức vận chuyển này làm mờ dần đi và dần sẽ biến mất hẳn. Vì thế, dường như không gian Vũ trụ là nơi lý tưởng nhất để thực hiện việc liên lạc bằng rối lượng tử ở khoảng cách xa, nhất là khi truyền giữa hai vệ tinh với nhau ngay trên quỹ đạo.

Tuy nhiên, có một dàn vệ tinh trên cao mà chẳng truyền xuống Trái Đất thì cũng chẳng có ý nghĩa gì, vì thế các nhà nghiên cứu Trung Quốc phải tìm ra một cách để đưa những trạng thái lượng tử của hạt ấy từ vệ tinh xuống tới mặt đất. Điều đó đồng nghĩa với việc nó phải đi một quãng đường rất dài và có nguy cơ bị hỏng. Để khắc phục điều đó, những nhà khoa học sử dụng tia laser để truyền tin một cách ổn định và tuyệt vời thay, họ đã thành công.

Họ dùng một thiết bị tán ánh sáng được lắp đặt ngay trên vệ tinh, để phân tích tín hiệu laser hành hai tia khác nhau. Những tia này sẽ được lọc qua một viên tinh thể đặt trên vệ tinh, thông qua đó tạo ra được hai hạt photon có hiệu ứng rối lượng tử.

Những hạt photon này sẽ phải đi một quãng đường 1.995 km xuống hai trạm mặt đất tại Trung Quốc, mà những trạm này lại cách nhau 1.207 km. Trong khi truyền một quãng đường như vậy, nó vẫn phải giữ nguyên được trạng thái rối lượng tử của mình.

Thành công này là một bước tiến cực kì lớn trong việc xây dựng một mạng lưới liên lạc lượng tử ngoài không gian. Tuy nhiên, đây đó vẫn còn những khúc mắc ví dụ như ta phải thực sự tạo ra một mạng lưới vệ tinh lượng tử để có thể truyền thông tin qua các hạt rối, chứ không chỉ để truyền một photon như thế này.

Nhưng theo như những gì các nhà khoa học viết trong báo cáo của mình, thì “việc truyền đi những hạt photon rối sẽ là một ứng dụng cực kì hữu hiệu trong việc truyền đi những chìa khóa lượng tử dựa trên hiệu ứng rối lượng tử”. Đây chính là phương pháp điều chỉnh trạng thái lượng tử của từng hạt photon để tạo ra một chiếc chìa khóa lượng tử đặc biệt. Chìa khóa này sẽ được kết hợp với bất kì thuật toán mã hóa (không liên quan tới lượng tử) nào để mở khóa được những thông tin, những dữ liệu được gửi đi. Những thông tin mã hóa thông thường kia thì hoàn toàn có thể được gửi đi bằng cáp quang hoặc laser, những phương pháp thông thường.

Ngắn gọn lại, thì những chiếc chìa khóa lượng tử chính là chìa khóa được mã hóa để giải mã những thông tin được mã hóa (tôi bảo là ngắn gọn, chứ không bảo là đơn giản, xin lỗi các bạn). Ta không thể đo đạc trạng thái lượng tử (để nghe lén, ăn cắp dữ liệu) mà không làm trạng thái của nó bị thay đổi được, chính vì thế chìa khóa lượng tử sẽ không thể bị giải mã, dù là có sức mạnh tính toán của toàn bộ máy tính trong Vũ trụ này đi nữa.

Việc phóng vệ tinh lượng tử có thể tốn kém nhưng đừng vội lo lắng, bởi các nhà nghiên cứu tại Đức (nói trên) công bố rằng ta có thể lợi dụng mạng lưới vệ tinh sẵn có để lắp đặt thêm những hệ thống truyền chìa khóa lượng tử.

Bài viết của các nhà nghiên cứu tại Viện Max Planck của Đức được đăng tải trên Optica cho thấy họ cũng có thể nhận được trạng thái lượng tử của hạt khi tín hiệu được gửi tới trạm trên Trái Đất từ một vệ tinh cách mặt đất 37.980 km. Không giống với vệ tinh QUASS của Trung Quốc, đây chỉ là một vệ tinh liên lạc thông thường và chưa được tối đa quá khả năng truyền trạng thái lượng tử thông qua tia laser.

“Chúng tôi rất ngạc nghiên khi biết rằng trạng thái lượng tử có thể sống sót qua một quãng đường xa như vậy, từ vệ tinh xuống tới mặt đất”, Christoph Marquardt, một chuyên gia vật lý quang học tại Viện Max Planck cho hay. Những thông tin mà trạm mặt đất nhận được “hoàn toàn phù hợp để có thể tạo ra một mạng lưới truyền chìa khóa lượng tử”.

Trong khoảng thời gian từ 2015 tới 2016, Marquardt và các cộng sự của mình đã thực hiện nhiều thử nghiệm lượng tử từ Đài quan sát Teide ở Tây Ban Nha. Bởi công nghệ liên lạc laser trên vệ tinh rất giống với công nghệ laser được các nhà nghiên cứu tại Viện Max Planck dùng để truyền chìa khóa lượng tử, họ đã có thể kết hợp hai công nghệ lại, áp dụng chính những vệ tinh sẵn có để truyền thông tin.

Mặc dù việc truyền trạng thái lượng tử từ Vũ trụ xuống Trái Đất khác với việc truyền một cặp hạt rối lượng tử giống trong thử nghiệm của Trung Quốc, các nhà nghiên cứu vẫn mong muốn rằng công nghệ mới này có thể được xây dựng dựa trên mạng lưới vệ tinh liên lạc sẵn có và sẽ trở thành xương sống của toàn bộ mạng lưới liên lạc lượng tử tương lai.

Tham khảo motherboard, wired