Trung Quốc, Mỹ và Hà Lan đạt được các đột phá công nghệ internet lượng tử gần như cùng lúc

Tạp chí Nature (được bình duyệt ngang hàng) gần đây đã xuất bản hai trong số các nghiên cứu cho biết các thí nghiệm, sử dụng ba thành phố thực tế, là những minh chứng tiên tiến nhất về công nghệ internet lượng tử.

Mỗi nhóm nghiên cứu sử dụng sợi quang dài hàng chục ki lô mét để thiết lập mạng lưới trong môi trường đô thị, dựa trên hiện tượng vướng mắc lượng tử cho phép một cặp photon (hạt ánh sáng) tách biệt vẫn liên kết mật thiết với nhau theo thời gian và không gian.

Khả năng khai thác vướng mắc lượng tử được coi là một bước quan trọng hướng tới internet lượng tử, hứa hẹn một cách tạo ra các khóa mật mã ngẫu nhiên cho thông tin được mã hóa nhanh đến mức chúng gần như không thể bị hack. Nó cũng có thể được sử dụng để kết nối các máy tính lượng tử, mở rộng khả năng hoạt động của chúng.

Thành tích của các nhóm nghiên cứu Trung Quốc và Mỹ đã được trình bày chi tiết trên tạp chí Nature. Trong khi bài báo của các nhà nghiên cứu Hà Lan được tải lên dưới dạng bản preprint (bản in sơ bộ) trên trang web lưu trữ arXiv vào tháng 4 và chưa được bình duyệt ngang hàng.

Bản preprint là phiên bản bản thảo khoa học chưa được xuất bản chính thức trên tạp chí. Các nhà nghiên cứu thường chia sẻ bản preprint của họ trên các kho lưu trữ trực tuyến để nhận được phản hồi sớm từ cộng đồng khoa học và thiết lập quyền ưu tiên cho nghiên cứu của họ.

Các nhà nghiên cứu Trung Quốc, dẫn đầu bởi “cha đẻ lượng tử” Pan Jianwei từ Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc (USTC), đã mô tả thành tựu này là “một cột mốc quan trọng” trong quá trình chuyển đổi sang những thí nghiệm quy mô lớn hơn.

Tác giả chính bài báo của nhóm nghiên cứu Hà Lan là Ronald Hanson, nhà vật lý tại Đại học Công nghệ Delft, nói “bước tiến này đã thực sự được thực hiện từ phòng thí nghiệm và đi vào thực địa”, theo tạp chí Nature.

Nhóm nghiên cứu từ Đại học Harvard (Mỹ), do nhà vật lý Mikhail Lukin dẫn đầu, cho biết một “thách thức chính” trong việc hiện thực hóa truyền thông lượng tử đường dài, thực tế “liên quan đến sự vướng mắc mạnh mẽ giữa các nút bộ nhớ lượng tử được kết nối bằng cơ sở hạ tầng sợi quang”.

Các nhà nghiên cứu Mỹ cho biết mỗi nút chứa qubit giao tiếp thông qua “các kênh quang tử”. Qubit (quantum bit) là phiên bản lượng tử của bit trong tính toán cổ điển. Trong lượng tử tính toán, một qubit có thể tồn tại không chỉ ở trạng thái 0 hoặc 1 như bit, mà còn ở một trạng thái kết hợp của cả hai trạng thái đó. Qubit cung cấp khả năng tính toán mạnh mẽ hơn so với bit truyền thống trong một số ứng dụng lượng tử như việc xử lý thông tin và mật mã.

Dù mỗi nhóm thể hiện sự vướng mắc lượng tử bằng cách sử dụng sợi quang để tạo kết nối an toàn giữa các thiết bị nút nhận, nhưng cách tiếp cận của họ lại khác nhau.

Các nhà nghiên cứu Mỹ đã kết nối hai nút được đặt cạnh nhau trong phòng thí nghiệm Đại học Harvard ở thành phố Cambridge (bang Massachusetts, Mỹ) bằng cách sử dụng một vòng sợi quang dài 35km kéo dài tới thành phố Boston (Mỹ).

Nhóm nghiên cứu Trung Quốc đã thiết lập ba nút, được gọi là Alice, Bob và Charlie, trong một mạng lưới hình tam giác xung quanh thành phố Hợp Phì, thủ phủ tỉnh An Huy (nơi có Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc), với một phòng thí nghiệm máy chủ trung tâm ở giữa, tất cả đều cách nhau khoảng 10km.

Tại Hà Lan, tổng cộng 25km sợi quang trải dài từ thành phố Delft đến The Hague, kết nối hai nút với một máy chủ ở điểm giữa.

Theo bài báo, Pan Jianwei và các nhà nghiên cứu của ông đã vận hành một sơ đồ photon đơn, sử dụng các qubit được mã hóa trong một tập hợp các nguyên tử rubidium, để gửi một photon từ mỗi nút đến máy chủ.

Các nhà nghiên cứu Trung Quốc cho biết, nếu hai photon đến máy chủ cùng lúc thì sẽ đạt được trạng thái vướng mắc.

“Công việc của chúng tôi cung cấp nền tảng thử nghiệm ở quy mô đô thị để đánh giá và khám phá các giao thức mạng lượng tử đa nút và bắt đầu một giai đoạn nghiên cứu internet lượng tử”, Pan Jianwei nói.

Pan Jianwei nói với tạp chí Nature rằng nhóm của ông hy vọng có thể thiết lập sự vướng mắc trên 1.000km sợi quang bằng cách sử dụng khoảng 10 nút vào cuối thập kỷ này.

Thay vì dựa vào một tập hợp các nguyên tử, nhóm nghiên cứu của Mỹ đã sử dụng các thiết bị kim cương với nguyên tử carbon được thay thế bằng nguyên tử silicon. Mikhail Lukin nói: “Về cơ bản, chúng tôi đã làm vướng mắc hai máy tính lượng tử nhỏ”.

Trong thí nghiệm ở Mỹ, một photon đơn lẻ được gửi đến nút đầu tiên nơi nó vướng mắc với một nguyên tử silicon trước khi được gửi đi vòng quanh vòng sợi để tiếp xúc nguyên tử silicon thứ hai ở nút kia, tạo điều kiện cho sự vướng mắc.

Theo cách tiếp cận tương tự với các đối tác Mỹ, nhóm nghiên cứu Hà Lan đã sử dụng các nguyên tử ni tơ được nhúng trong tinh thể kim cương.

Tạp chí Nature lưu ý rằng phương pháp của Trung Quốc và Hà Lan dựa vào thời gian cực kỳ chính xác để các photon đến máy chủ trung tâm, đòi hỏi mức độ tinh chỉnh mà phương pháp của nhóm nhà nghiên cứu Mỹ không làm được.

Theo Nature, phương pháp nguyên tử đơn lẻ kém hiệu quả hơn so với phương pháp tập hợp của nhóm nghiên cứu Trung Quốc, nhưng lại dễ thích ứng hơn vì có thể được sử dụng để thực hiện các phép tính cơ bản.

Thông cáo báo chí từ Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc cho biết phương pháp của nhóm nghiên cứu Trung Quốc đã đạt được hiệu suất vướng mắc cao hơn hai bậc so với phương pháp của Mỹ.

Trong khi việc chứng minh sự vướng mắc giữa các nút nằm trong một thành phố là thành tựu lớn, Ronald Hanson nói với tạp chí Nature rằng “điều đó chưa có nghĩa là nó hữu ích về mặt thương mại, nhưng đó là bước tiến lớn”.

Không tham gia vào bất kỳ nghiên cứu nào, nhà vật lý Tracy Northup từ Đại học Innsbruck Austria (Áo) cho biết các thí nghiệm này là “minh chứng tiên tiến nhất đến nay” về công nghệ cần thiết để phát triển internet lượng tử, theo tạp chí Nature.