MỸ – Các kỹ sư tại Đại học Pennsylvania (Penn – University of Pennsylvania) đã đưa công nghệ mạng lượng tử ra khỏi phòng thí nghiệm, và tích hợp nó vào cáp quang thương mại bằng cách sử dụng chính giao thức internet (IP – internet protocol) đang vận hành mạng web ngày nay.

Đây là một phần thiết bị được sử dụng để tạo ra một nút của mạng lượng tử, cách nguồn phát tín hiệu gần 1 km cáp quang thương mại của tập đoàn Verizon

Được công bố trên tạp chí Science, dự án nghiên cứu cho thấy các tín hiệu lượng tử mong manh có thể được truyền tải trên cơ sở hạ tầng đang truyền dữ liệu internet thông thường hàng ngày. Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm phương pháp của họ trên mạng cáp quang thuộc khuôn viên tập đoàn viễn thông Verizon.

Chip tích hợp Q-chip của nhóm nghiên cứu tại đại học Penn phối hợp dữ liệu lượng tử (quantum data) và dữ liệu cổ điển (classical data) (1), đồng thời sử dụng cùng ngôn ngữ với mạng web hiện đại (bằng cách sử dụng giao thức internet – IP). Phương pháp tiếp cận này có thể mở đường cho một internet lượng tử (quantum internet) (2) trong tương lai, điều mà các nhà khoa học tin rằng một ngày nào đó sẽ mang tính cách mạng công nghệ toàn cầu, tương tự như cách mà internet (web) đã thay đổi hoàn toàn xã hội, kinh tế và cách chúng ta giao tiếp vào cuối thế kỷ 20.
(1) Dữ liệu lượng tử: dựa trên các nguyên tắc lượng tử và có thể được dùng cho tính toán lượng tử hoặc bảo mật cao cấp.
Dữ liệu cổ điển: dữ liệu internet thông thường.
(2) Internet lượng tử: sẽ liên kết các máy tính lượng tử và mạng cảm biến lượng tử với nhau, tạo ra một mạng lưới có khả năng bảo mật tuyệt đối và sức mạnh xử lý vô song.

Tín hiệu lượng tử dựa trên các cặp hạt ở trạng thái ‘rối lượng tử’ (entangled particles) (*), liên kết chặt chẽ đến mức việc thay đổi trạng thái của hạt này sẽ ngay lập tức ảnh hưởng đến hạt kia. Khai thác đặc tính này có thể cho phép máy tính lượng tử liên kết và hợp nhất sức mạnh xử lý, tạo điều kiện cho những tiến bộ như công nghệ trí tuệ nhân tạo (AI – artificial intelligence) nhanh hơn, tiết kiệm năng lượng hơn, hoặc thiết kế các loại thuốc và vật liệu mới vượt xa khả năng của các siêu máy tính hiện nay.
(*) Rối lượng tử: đây là một hiện tượng kỳ lạ và mạnh mẽ trong vật lý lượng tử. Khi hai hạt ở trạng thái ‘rối lượng tử’, chúng chia sẻ một trạng thái lượng tử chung, dù chúng cách xa nhau bao nhiêu. Việc đo lường hoặc thay đổi trạng thái của một hạt sẽ lập tức xác định trạng thái của hạt kia. Đây là cơ sở để truyền thông lượng tử và là tài nguyên chính cho máy tính lượng tử.

Nghiên cứu của đại học Penn cho thấy một chip điện tử không chỉ có thể gửi tín hiệu lượng tử mà còn tự động hiệu chỉnh nhiễu, gói dữ liệu lượng tử và dữ liệu cổ điển thành gói tin theo kiểu internet tiêu chuẩn và định tuyến chúng bằng cách sử dụng một hệ thống địa chỉ và công cụ tương tự đang kết nối các thiết bị thông thường trên mạng.

Ông Liang Feng, Giáo sư khoa học – kỹ thuật vật liệu (MSE – materials science and engineering) và kỹ thuật điện – hệ thống (ESE – electrical and systems engineering), đồng thời là tác giả chính của bài báo trên tạp chí Science, chia sẻ: “Bằng việc chứng minh rằng một chip tích hợp có thể quản lý tín hiệu lượng tử trên một mạng thương mại đang hoạt động như của tập đoàn Verizon và thực hiện việc này bằng cách sử dụng cùng các giao thức đang vận hành internet cổ điển, chúng tôi đã thực hiện một bước tiến quan trọng hướng tới các thử nghiệm quy mô lớn hơn và một internet lượng tử thực tiễn”.

Những khó khăn của việc mở rộng mạng lưới internet lượng tử
Nhà vật lý học người Áo, ông Erwin Schrodinger, đã đặt ra thuật ngữ ‘rối lượng tử’, nổi tiếng với “thí nghiệm tưởng tượng” về một con mèo bị nhốt trong hộp. Thí nghiệm mô tả một con mèo bị nhốt vào hộp kín cùng một nguyên tử phóng xạ có xác suất 50% phân rã sau một giờ và một lọ chất độc, với cơ chế: nếu nguyên tử phân rã, lọ chất độc sẽ được kích hoạt, vỡ ra và con mèo sẽ chết; nếu không, con mèo vẫn sống. Theo nguyên lý chồng chất lượng tử (*), trước khi hộp được mở, nguyên tử vừa phân rã vừa chưa phân rã, do đó con mèo vừa sống vừa chết trong cùng một trạng thái chồng chập. Chỉ khi người quan sát mở hộp, hệ mới “sụp đổ” về một trạng thái duy nhất, lúc này chúng ta mới xác nhận được trạng thái (còn sống hay đã chết) của con mèo.
(*) Nguyên lý chồng chất lượng tử (quantum superposition principle): là nguyên lý nền tảng của cơ học lượng tử, mô tả rằng một hệ thống lượng tử có thể tồn tại đồng thời trong nhiều trạng thái khác nhau cho đến khi có phép đo được thực hiện.

Nghịch lý này gần giống với bản chất độc đáo của các hạt lượng tử. Một khi bị đo lường (*), các hạt lượng tử sẽ mất đi những đặc tính khác thường, khiến việc mở rộng mạng lượng tử trở nên vô cùng khó khăn.
(*) Đo lường trong cơ học lượng tử: là một tương tác vật lý (thường là sử dụng một thiết bị) để xác định một thuộc tính (như vị trí, vận tốc, hoặc spin) của một hạt lượng tử.

Ông Robert Broberg, nghiên cứu sinh tiến sĩ ngành ESE và đồng tác giả của bài báo, chia sẻ: “Các mạng thông thường đo lường dữ liệu để hướng dẫn nó đến đích cuối cùng. Với các mạng hoàn toàn bằng lượng tử, điều đó không thể thực hiện được, vì việc đo lường các hạt sẽ phá hủy trạng thái lượng tử.”

Phối hợp các tín hiệu cổ điển và lượng tử
Để vượt qua trở ngại này, nhóm nghiên cứu đã phát triển một chip được gọi là Q-Chip (quantum-classical hybrid internet by photonics) để kết hợp các ưu điểm của cả hai loại tín hiệu: tín hiệu lượng tử (quantum signal) và tín hiệu cổ điển (classical signal). Ông Yichi Zhang, nghiên cứu sinh tiến sĩ ngành MSE và là tác giả đầu tiên của bài báo, nói thêm: “Tín hiệu cổ điển truyền đi ngay phía trước tín hiệu lượng tử. Điều này cho phép chúng tôi đo tín hiệu cổ điển một cách an toàn để định tuyến (xác định đường đi), mà không ảnh hưởng đến bất kỳ thông tin lượng tử nào.”
(*) Tín hiệu lượng tử (quantum signal): là các hạt lượng tử (qubit), mang thông tin lượng tử cần được bảo toàn trạng thái lưỡng trạng và rối lượng tử.
Tín hiệu cổ điển (classical signal): là các luồng ánh sáng thông thường (giống như trong cáp quang hiện nay), mang thông tin định tuyến.

Về bản chất, hệ thống mới hoạt động giống như một tuyến đường sắt, kết hợp đầu máy tàu hỏa thông thường với hàng hóa lượng tử trong thùng kín. Ông Zhang nói tiếp: “Tín hiệu cổ điển hoạt động như đầu máy tàu hỏa, trong khi thông tin lượng tử được vận chuyển phía sau trong các thùng kín. Không thể mở các thùng chứa (đo lường) mà không phá hủy những gì bên trong (trạng thái lượng tử), nhưng đầu máy sẽ đảm bảo toàn bộ đoàn tàu về đến đích.”

Ông Yichi Zhang, nghiên cứu sinh tiến sĩ ngành khoa học và kỹ thuật vật liệu, đang kiểm tra nguồn tín hiệu lượng tử

Bằng cách phối hợp các tín hiệu cổ điển và lượng tử, hệ thống có thể đo lường thông tin này và tuân theo các quy tắc định tuyến IP tiêu chuẩn đang chi phối lưu lượng internet ngày nay. Ông Zhang chia sẻ: “Bằng cách ‘nhúng’ thông tin lượng tử vào cấu trúc IP quen thuộc, chúng tôi đã chứng minh rằng internet lượng tử thực sự có thể ‘nói cùng một ngôn ngữ’ với internet cổ điển. Khả năng tương thích đó là chìa khóa để mở rộng quy mô bằng cách sử dụng cơ sở hạ tầng hiện có”.

Áp dụng công nghệ lượng tử vào thực tiễn
Một trong những thách thức lớn nhất đối với việc truyền tải các hạt lượng tử trên cơ sở hạ tầng thương mại là sự biến động của các đường truyền trong thực tế. Không giống như môi trường phòng thí nghiệm, vốn có thể duy trì điều kiện lý tưởng, các mạng thương mại thường xuyên gặp phải những thay đổi về nhiệt độ do thời tiết, cũng như rung động từ các hoạt động của con người như xây dựng và vận tải, chưa kể đến các hoạt động địa chấn.

Để khắc phục điều này, các nhà nghiên cứu đã phát triển một phương pháp sửa lỗi bằng cách tận dụng sự thực rằng nhiễu loạn tác động lên tín hiệu cổ điển cũng sẽ ảnh hưởng đến tín hiệu lượng tử theo một cách thức tương tự. Giáo sư Feng chia sẻ: “Bởi vì chúng tôi có thể đo lường tín hiệu cổ điển mà không làm hỏng tín hiệu lượng tử, nên chúng tôi có thể suy luận ra những hiệu chỉnh cần thiết cho tín hiệu lượng tử mà không cần phải đo lường nó, từ đó bảo toàn trạng thái lượng tử”.

Trong quá trình thử nghiệm, hệ thống duy trì độ chính xác truyền dẫn trên 97%, cho thấy nó có thể khắc phục được nhiễu loạn và sự bất ổn thường làm hỏng tín hiệu lượng tử khi ở môi trường bên ngoài phòng thí nghiệm. Vì chip được chế tạo từ silicon và bằng các công nghệ đạt chứng nhận, nó có thể được sản xuất hàng loạt, giúp phương pháp mới dễ dàng mở rộng quy mô.

Giáo sư Feng nói tiếp: “Mạng lưới của chúng tôi chỉ có một máy chủ và một nút mạng lượng tử nằm ở hai tòa nhà, được kết nối bằng một cáp quang dài gần 1 km do tập đoàn Verizon lắp đặt. Nhưng tất cả những gì cần làm để mở rộng mạng là chế tạo thêm chip và kết nối chúng với hệ thống cáp quang hiện có của bang Philadelphia (Mỹ)”.

Nghiên cứu sinh tiến sĩ Yichi Zhang, bên thiết bị tạo và gửi tín hiệu lượng tử qua cáp quang của tập đoàn Verizon

Tương lai của internet lượng tử
Rào cản chính đối với việc mở rộng mạng lượng tử ra ngoài khu vực đô thị, là tín hiệu lượng tử vẫn chưa thể được khuếch đại mà không phá hủy trạng thái của chúng.

Trong khi một số nhóm nghiên cứu đã chứng minh rằng ‘khóa lượng tử’ (quantum keys), các mã đặc biệt dành cho giao tiếp siêu bảo mật, có thể truyền đi quãng đường xa qua cáp quang thông thường, những hệ thống đó sử dụng ánh sáng kết hợp yếu (weak coherent light) (*) để tạo ra các số ngẫu nhiên không thể sao chép, một kỹ thuật rất hiệu quả cho các ứng dụng bảo mật nhưng không đủ để liên kết các bộ xử lý lượng tử thực tế với nhau.
(*) Khóa lượng tử: là các xung ánh sáng thông thường được làm yếu đi để mô phỏng các hạt photon đơn lẻ.

Để vượt qua khó khăn này, cần có những thiết bị mới, nhưng nghiên cứu của đại học Penn đã mang lại một bước tiến khởi đầu quan trọng: chỉ ra cách một chip có thể vận hành các tín hiệu lượng tử qua cáp quang thương mại hiện có bằng cách sử dụng định tuyến gói theo kiểu internet, chuyển mạch động và giảm thiểu lỗi trên chip, tất cả hoạt động với cùng các giao thức quản lý mạng hiện nay.

Nghiên cứu sinh tiến sĩ Broberg chia sẻ: “Điều này mang lại cảm giác giống như những ngày đầu của internet cổ điển vào những năm 1990, khi các trường đại học lần đầu tiên kết nối mạng lưới của họ; điều đó đã mở ra cánh cửa cho những sự chuyển đổi mà không ai có thể dự đoán được. Internet lượng tử cũng có tiềm năng tương tự”.

Để xem các tin bài khác về “Tín hiệu lượng tử”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online