Nước tôi đạt được bước đột phá mới trong nghiên cứu công nghệ lượng tử Mạng lượng tử có thể đi vào thực tế

Theo thông báo của Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc, gần đây, Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc, do Tiến sĩ Pan Jianwei cùng các đồng nghiệp tiến hành, đã đạt được bước đột phá quan trọng trong nghiên cứu mạng lượng tử mở rộng quy mô. Wang Ye, Wan Yong, Zhang Qiang, Pan Jianwei và các cộng sự hợp tác với Viện Nghiên cứu Công nghệ lượng tử Jinan, Viện Nghiên cứu Công nghệ lượng tử Trung Quốc, Viện Công nghệ Vi hệ thống và Thông tin Thượng Hải của Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, Đại học Hồng Kông, Đại học Thanh Hoa, cùng các nhà nghiên cứu khác, xây dựng thành công các mô-đun cơ bản của bộ trung chuyển lượng tử mở rộng quy mô, giúp khả thi thực tế của mạng lượng tử khoảng cách xa. Đồng thời, các nhà nghiên cứu như Bao Xiaohui, Xu Feihu, Zhang Qiang, Pan Jianwei hợp tác với Viện Nghiên cứu Công nghệ lượng tử Jinan, Đại học Quốc gia Singapore, Đại học Waterloo Canada, đã thực hiện thành công việc tạo ra trạng thái rối lượng tử độ trung thực cao giữa các nút nguyên tử đơn, và trên nền tảng này, đã vượt qua khoảng cách truyền của phân phối khóa lượng tử không phụ thuộc thiết bị (DI-QKD) trên 100 km, thúc đẩy mạnh mẽ quá trình ứng dụng thực tế của công nghệ này. Hai thành tựu này lần lượt được công bố trên các tạp chí học thuật quốc tế uy tín 《Tự nhiên》 và 《Khoa học》 vào ngày 3 và 6 tháng 2 theo giờ Bắc Kinh.

Những đột phá trên là thành quả mang tính bước ngoặt khác của Trung Quốc trong lĩnh vực truyền thông lượng tử và mạng lượng tử, sau vệ tinh lượng tử “Mòzǐ hào”, đánh dấu mạng lượng tử quang học dựa trên rối lượng tử đang từ ý tưởng lý thuyết tiến tới khả năng thực tế, mở rộng vị thế dẫn đầu quốc tế của Trung Quốc trong lĩnh vực này.

**Mục tiêu cuối cùng của khoa học thông tin lượng tử là xây dựng mạng lượng tử hiệu quả và an toàn: **sử dụng đo lường chính xác cao để cảm nhận thông tin, sử dụng truyền thông lượng tử để đảm bảo truyền tải an toàn và hiệu quả, sử dụng tính toán lượng tử để tăng tốc xử lý dữ liệu theo cấp số nhân, từ đó tạo ra bước đột phá mang tính cách mạng trong nhận thức về thế giới vật chất. Các yếu tố cơ bản để xây dựng mạng lượng tử là phân phối rối lượng tử xác định từ xa, dựa trên rối lượng tử, không chỉ có thể thực hiện truyền thông an toàn dữ liệu cổ điển qua phân phối khóa lượng tử, mà còn cung cấp phương thức duy nhất để trao đổi thông tin lượng tử giữa máy tính lượng tử và người dùng thông qua truyền tải lượng tử vô hình.

Hình 1. Sơ đồ mạng lượng tử

Tổn thất nội tại của cáp quang dẫn đến hiệu suất truyền rối lượng tử giảm theo hàm số mũ theo khoảng cách, trở thành thách thức lớn nhất trong xây dựng mạng lượng tử mở rộng quy mô. Ví dụ, sau khi truyền trực tiếp qua cáp quang tiêu chuẩn dài 1000 km, tín hiệu quang sẽ giảm xuống còn 10^-20 lần cường độ ban đầu (tương đương một phần nghìn tỷ tỷ), điều này có nghĩa là ngay cả khi phát ra 10 tỷ cặp photon rối mỗi giây, trung bình phải 300 năm mới nhận được một cặp photon rối.

Giải pháp trung chuyển lượng tử là phương án hiệu quả để khắc phục tổn thất truyền qua cáp quang: ví dụ, trong tuyến cáp quang dài 1000 km, có thể đặt các trạm trung chuyển cách nhau 100 km, tạo ra rối tại các trạm này, rồi thông qua trao đổi rối để kết nối các đoạn rối, từ đó phân phối rối hiệu quả giữa các điểm xa. Với phương án này, cùng một tốc độ phát, mỗi giây có thể nhận được 100 triệu cặp photon rối, hiệu suất truyền tăng lên 100 tỷ tỷ lần. Do đó, trung chuyển lượng tử luôn là hướng nghiên cứu quan trọng nhất của mạng lượng tử qua cáp quang.

Hình 2. Sơ đồ nguyên lý trung chuyển lượng tử. (1) Các nút trung chuyển gần nhau (ví dụ A và B, B và C) tạo rối qua can thiệp photon. (2) Thực hiện trao đổi rối tại nút B, có thể tạo rối giữa các nút A và C, và tiếp tục như vậy. (3) Thông qua nhiều cấp trao đổi rối, khoảng cách rối được mở rộng từng bước, cuối cùng tạo rối giữa các nút xa nhất A và K.

Ngay từ năm 1998, Pan Jianwei và các cộng sự đã trình diễn kết nối rối lượng tử trên quy mô quốc tế. Sau đó, các nhóm nghiên cứu trong và ngoài nước đã đạt được một loạt tiến bộ quan trọng. Tuy nhiên, trong gần 30 năm qua, một vấn đề kỹ thuật lớn chưa được giải quyết là: tuổi thọ của rối dài hơn nhiều so với thời gian cần để tạo ra rối, dẫn đến trong thời gian tồn tại của rối, các rối lân cận khó xác định một cách xác suất, do đó không thể kết nối rối một cách hiệu quả, gây cản trở nghiêm trọng khả năng mở rộng của trung chuyển lượng tử.

Nhằm giải quyết vấn đề cốt lõi này, nhóm nghiên cứu của Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc đã phát triển bộ lưu trữ lượng tử ion bị giam giữ tuổi thọ dài, giao diện truyền thông ion-photon hiệu suất cao và giao thức rối photon đơn độ trung thực cao, để đạt được rối lượng tử tuổi thọ dài, tuổi thọ rối (550 ms) vượt xa thời gian tạo rối (450 ms), từ đó thành công xây dựng mô-đun trung chuyển lượng tử mở rộng quy mô, giúp khả thi thực tế của mạng lượng tử khoảng cách xa.

Hình 3. Sơ đồ nguyên lý mô-đun trung chuyển lượng tử mở rộng quy mô. (1) Thí nghiệm gồm bộ lưu trữ lượng tử ion bị giam giữ tuổi thọ dài, bộ chuyển đổi tần số lượng tử hiệu suất cao và bộ can thiệp photon đơn độ tương phản cao. (2) Tốc độ tạo rối là 2.226 Hz, tức thời gian chờ khoảng 450 ms. (3) Tuổi thọ rối khoảng 550 ms.

Một ứng dụng trực tiếp của phân phối rối lượng tử xa là thực hiện truyền thông bí mật lượng tử cấp độ an toàn cao nhất trong điều kiện thực tế. Các phương án truyền thông bí mật lượng tử trước đây yêu cầu hiệu chỉnh chính xác tham số thiết bị để đảm bảo an toàn thực tế, điều này thường gây bất tiện trong ứng dụng thực tế. Tuy nhiên, phương án phân phối khóa lượng tử “không phụ thuộc thiết bị” (DI-QKD) dựa trên rối đã phá vỡ giới hạn này: ngay cả khi thiết bị lượng tử hoàn toàn không đáng tin cậy, chỉ cần hai bên giao tiếp có thể tạo ra rối chất lượng cao đủ và xác nhận vi phạm bất đẳng thức Bell không có lỗ hổng, thì có thể đảm bảo an toàn tuyệt đối cho phân phối khóa mà không cần hiệu chỉnh chính xác tham số thiết bị. Do đó, DI-QKD được Gilles Brassard, một trong những người sáng lập mật mã lượng tử và người nhận giải thưởng Wolf 2018, ca ngợi là “Chén thánh” mà các nhà mật mã đã theo đuổi hàng nghìn năm.

Tuy nhiên, việc thực hiện DI-QKD trong phòng thí nghiệm gặp nhiều thách thức kỹ thuật khắt khe. Rối lượng tử giữa các nút xa cần đồng thời đáp ứng các điều kiện sau: (1) có hiệu suất phát hiện cực cao để hiệu quả loại bỏ lỗ hổng hiệu suất của bộ phát hiện; (2) duy trì độ trung thực của rối cực cao để đảm bảo vi phạm bất đẳng thức Bell rõ ràng. Do tổn thất dài hạn của cáp quang và nhiễu hệ thống, các thí nghiệm liên quan trước đây chủ yếu giới hạn trong phạm vi ngắn (thường từ vài mét đến vài trăm mét), còn xa so với yêu cầu thực tế.

Dựa trên công nghệ trung chuyển lượng tử mở rộng quy mô, nhóm nghiên cứu của Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc còn thành công tạo ra rối lượng tử độ trung thực cao giữa hai nguyên tử rubi ở khoảng cách xa nhất 100 km: độ trung thực của rối giữa các nút nguyên tử vẫn duy trì trên 90%, vượt xa kết quả các thí nghiệm quốc tế trước đó. Trên nền tảng này, nhóm đã thực hiện phân phối khóa lượng tử không phụ thuộc thiết bị trên mạng cáp quang trong phạm vi thành phố: hoàn thành phân tích và chứng minh an toàn dựa trên dữ liệu hạn chế trong tuyến cáp quang 11 km, nâng cao khoảng cách truyền gấp khoảng 3000 lần so với kết quả tốt nhất trước đó; trong tuyến cáp quang 100 km, đã thể hiện khả năng tạo khóa, nâng cao khoảng cách truyền gấp hơn hai cấp số nhân so với các kết quả thí nghiệm tốt nhất quốc tế trước đó.

Hình 4. Sơ đồ thí nghiệm DI-QKD 100 km. Hai đầu nút sử dụng nguyên tử đơn phát photon qua quá trình tạo photon Rydberg, photon truyền qua cáp quang dài đến nút trung gian và xảy ra can thiệp. Sau khi phát hiện sự kiện dự báo, hai đầu nguyên tử bị chiếu vào trạng thái rối xa, từ đó thực hiện phân phối rối. Sau đó, hai đầu thực hiện đo lường ngẫu nhiên dựa trên cơ sở, kết quả đo dùng để kiểm tra bất đẳng thức Bell nhằm xác minh tính an toàn, và sau khi kiểm tra, dữ liệu được xử lý hậu kỳ để tạo ra khóa an toàn.

Hai công trình nghiên cứu này nhận được sự hỗ trợ từ các dự án trọng điểm quốc gia, Quỹ Khoa học tự nhiên quốc gia, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, và các chính quyền tỉnh An Huy, thành phố Hợp Phì, tỉnh Sơn Đông, thành phố Jinan, cùng Quỹ Nghiên cứu Hồng Kông.

(Nguồn: Tài Liên Xã)