Internet lượng tử tiến thêm một bước: Truyền dữ liệu bảo mật vượt mốc 100 km

Nhóm nghiên cứu do Jianwei Pan, Qiang Zhang và Xiaohui Bao dẫn đầu tại Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc (USTC), trực thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (CAS), đã đạt được một cột mốc quan trọng trong lĩnh vực truyền thông lượng tử.

Lần đầu tiên, họ chứng minh được một thành phần then chốt cần thiết cho các bộ lặp lượng tử (quantum repeater) có khả năng mở rộng, từ đó thực hiện thành công phân phối khóa lượng tử độc lập thiết bị (DI-QKD) trên khoảng cách 100 km.

Kết quả được công bố trên hai tạp chí khoa học hàng đầu Nature và Science , đánh dấu bước tiến đáng kể hướng tới việc xây dựng một Internet lượng tử thực thụ, đồng thời củng cố vị thế dẫn đầu của Trung Quốc trong lĩnh vực công nghệ và nghiên cứu lượng tử.

Xây dựng mạng lượng tử siêu bảo mật

Trọng tâm của khoa học thông tin lượng tử là tạo ra những mạng lưới vừa bảo mật cao, vừa hiệu quả vượt trội.

Các mạng này sẽ kết hợp:

• Đo lường chính xác lượng tử
• Truyền thông lượng tử
• Điện toán lượng tử phân tán

Sự kết hợp này hứa hẹn mang lại khả năng đo đạc cực kỳ nhạy, truyền dữ liệu an toàn gần như tuyệt đối và xử lý thông tin nhanh hơn nhiều lần so với hệ thống hiện nay.

Một trong những rào cản kỹ thuật quan trọng nhất là làm sao phân phối rối lượng tử (quantum entanglement) trên khoảng cách xa một cách ổn định.

Rối lượng tử là nền tảng của mạng lượng tử quy mô lớn. Tuy nhiên, khi photon truyền qua cáp quang, chúng dần bị suy hao, khiến việc truyền trực tiếp rối lượng tử chỉ khả thi trong phạm vi ngắn.

Vấn đề này cũng giới hạn phân phối khóa lượng tử (QKD) – công nghệ cốt lõi của truyền thông bảo mật lượng tử.

Dù DI-QKD có ưu điểm đảm bảo an toàn ngay cả khi thiết bị không hoàn toàn đáng tin cậy, các thí nghiệm trước đây chỉ đạt khoảng cách vài trăm mét.

Đột phá với bộ lặp lượng tử

Để vượt qua giới hạn này, nhóm nghiên cứu đã phát triển một hệ thống bộ lặp lượng tử có khả năng tạo ra rối lượng tử giữa hai bộ nhớ ở hai nút riêng biệt.

Thông qua kỹ thuật “hoán đổi rối lượng tử” (entanglement swapping), họ đã mở rộng thành công trạng thái rối ra khoảng cách lớn hơn nhiều.

Đây là lần đầu tiên trên thế giới đạt được trạng thái rối lượng tử bền vững đủ lâu để phù hợp với kiến trúc bộ lặp lượng tử có khả năng mở rộng.

Việc duy trì rối lâu hơn đáng kể so với thời gian cần để kết nối các đoạn mạng là bước nền quan trọng để xây dựng mạng lượng tử đường dài trong thực tế.

Dựa trên thành tựu về bộ lặp lượng tử, nhóm nghiên cứu đã mở rộng khoảng cách của DI-QKD lên hơn 100km lần đầu tiên trong lịch sử.

Điểm mấu chốt là các nhà nghiên cứu đã đồng thời đạt được rối nguyên tử–nguyên tử ở khoảng cách xa, độ trung thực (fidelity) cao, khả năng mở rộng kiến trúc bộ lặp.

Theo ông Jianwei Pan – thành viên CAS và Phó hiệu trưởng điều hành USTC – bộ lặp lượng tử chính là những “viên gạch nền tảng” giúp kết nối các máy tính lượng tử phổ quát có thể được phát triển trong 10–15 năm tới.

Ông nhấn mạnh rằng Internet lượng tử trong tương lai sẽ kết nối hệ thống cảm biến thông tin chính xác với siêu máy tính, tạo nên một hạ tầng xử lý dữ liệu vừa an toàn vừa hiệu quả.