GS Mikhail Lukin, một trong hai người đứng đầu nhóm nghiên cứu thiết bị đóng ngắt lượng tử

Đây là lần đầu tiên các nhà khoa học dùng một nguyên tử đơn lẻ để chế tạo thiết bị đóng ngắt mạch. Trong tương lai có thể dùng cáp nối các bộ đóng ngắt mạch nhỏ xíu có kích cỡ bằng một nguyên tử này lại thành mạng, trở thành xương sống của mạng Internet lượng tử, bảo mật 100% cho mọi thông tin truyền trên mạng. Theo dự kiến, sớm nhất loại mạng này sẽ xuất hiện trong 10 năm tới.

Nhóm nghiên cứu nói trên do hai giáo sư Mikhail Lukin ở ĐH Harvard và Vladan Vuletic ở Học viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đứng đầu; thành viên gồm các nghiên cứu sinh Jeff Thompson, Lee Liu, các nghiên cứu sinh sau tiến sĩ Tobias Tiecke và Nathalie de Leon.

GS Lukin cho biết: “Xét về mặt công nghệ thì đây là một thành tựu xuất sắc. Ý tưởng của chúng tôi dựa trên một khái niệm rất đơn giản: Hãy để bộ đóng ngắt mạch điều khiển bằng ánh sáng (light switch) đạt tới giới hạn cực đại của chúng.”

“Việc chúng tôi đã làm là dùng một nguyên tử đơn lẻ làm bộ đóng ngắt mạch, căn cứ theo trạng thái của nó mà đóng hoặc ngắt dòng dịch chuyển của các photon; dùng một photon để thực hiện đóng hoặc ngắt mạch.”

Tuy rằng có thể dùng bộ đóng ngắt mạch này để chế tạo máy tính lượng tử, nhưng GS Lukin nói dường như chưa có nhiều khả năng dùng công nghệ đó cho loại máy tính để bàn. Trong tương lai công nghệ này sẽ được dùng vào việc tạo dựng mạng cáp quang sử dụng hệ thống mật mã lượng tử (quantum cryptography) - một phương pháp mã hóa thông tin sử dụng định luật cơ học lượng tử, nhờ đó việc trao đổi thông tin trên mạng sẽ trở nên tuyệt đối an toàn. Trong một hệ thống như vậy, không hacker nào có thể lấy hoặc đọc được các thông tin truyền trên mạng.

GS Lukin cho biết: “Dường như không phải ai cũng có nhu cầu dùng loại công nghệ này nhưng đúng là có một số lĩnh vực thực sự cần ứng dụng nó. Vì thế sẽ tới cái ngày mà công nghệ đó phát sinh ảnh hưởng có tính biến đổi đối với xã hội chúng ta. Hiện nay chúng tôi chỉ hạn chế dùng hệ thống mật mã lượng tử trong cự ly tương đối ngắn - vài chục km. Cùng với sự bứt phá trong nghiên cứu công nghệ này, cuối cùng chúng ta có lẽ sẽ có thể mở rộng phạm vi sử dụng hệ thống mật mã lượng tử tới vài nghìn km.”

Điều quan trọng là hệ thống này có không gian nâng cấp rất lớn, tương lai có khả năng lắp hàng nghìn bộ đóng ngắt mạch như vậy trong một thiết bị điện tử.

Sự an toàn của các dữ liệu phụ thuộc vào tính an toàn của khóa mật mã (dãy số cấu tạo bởi các số 0 và 1, dùng để bảo mật cho thông tin). Thế nhưng trong hệ thống bảo mật hiện dùng thì trong quá trình truyền thông tin, khóa mật mã có nguy cơ bị hacker đánh cắp. Đây là khâu yếu kém nhất trong các hệ thống thông tin hiện dùng.

Công nghệ phân phát khóa mật mã lượng tử sử dụng trạng thái lượng tử của các photon đơn lẻ để tiến hành mã hóa khóa mật mã. Khi xuất hiện bất cứ sự đánh cắp thông tin nào, nguyên lý cơ học lượng tử sẽ quyết định trạng thái lượng tử của photon bị nhiễu loạn bởi hành vi đánh cắp đó, nhờ thế bên truyền thông tin sẽ phát hiện sự đánh cắp.

Trung Quốc xây tuyến thông tin lượng tử dài nhất thế giới

Tạp chí khoa học Nature (Anh) ngày 24/4/2014 đưa tin: Trung Quốc đã khởi công xây dựng mạng thông tin lượng tử có cự ly dài nhất thế giới, nối Bắc Kinh với Thượng Hải với độ dài hơn 2.000 km và kinh phí đầu tư chừng 100 triệu USD.

Giáo sư Phan Kiến Vĩ (Jian-Wei Pan), nhà vật lý lượng tử ở ĐH Khoa học kỹ thuật Trung Quốc (tại Hợp Phì) phụ trách dự án đầu tư này. Ông giới thiệu: “Trục Bắc Kinh-Thượng Hải sẽ không chỉ cung cấp sự bảo đảm thông tin có cấp bậc an toàn cao nhất cho nhà nước và các định chế tài chính tiền tệ, mà còn dùng để kiểm nghiệm các nguyên lý cơ bản của vật lý lượng tử, là nơi thí nghiệm đo lường, ứng dụng công nghệ mới.”

Trung Quốc không phải là quốc gia duy nhất triển khai xây dựng mạng thông tin lượng tử cự ly dài. Một nhóm nghiên cứu dưới sự lãnh đạo của nhà khoa học Don Hayford tại công ty Battelle, đang hợp tác với ID Quantique để bắt đầu triển khai xây dựng tuyến thông tin lượng tử dài 650 km giữa trụ sở công ty Battelle đặt tại thành phố Columbus (Ohio, Mỹ) với cơ quan làm việc của họ tại Washington DC. Ngoài ra Hayford còn cho biết, họ đã lên kế hoạch trên cơ sở tuyến thông tin đó xây dựng một mạng thông tin lượng tử vòng quanh nước Mỹ, có chiều dài hơn 10 nghìn km, nối tất cả các đô thị chính; tuy vậy dự án này còn chưa có nguồn kinh phí.

Cả hai mạng thông tin lượng tử nói trên của Trung Quốc và Mỹ đều sử dụng cáp quang tối (dark fibres) làm đường dây truyền tín hiệu lượng tử, song loại cáp này “không phải luôn luôn mua được và giá quá đắt” — Andrew Shields một nhà vật lý lượng tử tại Trung tâm nghiên cứu ở châu Âu của Toshiba nói. Có một cách giải quyết tự nhiên vấn đề này — đó là thử truyền tín hiệu lượng tử trên “cáp quang sáng” (‘lit’ fibres) — tức loại cáp quang dùng trong thông tin hiện nay. Thế nhưng trong trường hợp thông thường, cường độ quang dùng để tiến hành thông tin kiểu hiện nay phải đạt được mức mỗi xung quang gồm có vài trăm tỷ photon; để so sánh, ta biết tín hiệu thông tin lượng tử của cấp một photon đơn lẻ đã trực tiếp bị nhấn chìm.

Shields và đồng nghiệp mới đây có công bố một báo cáo nói các nghiên cứu của họ đã giải quyết thành công vấn đề nói trên: đã thực hiện ổn định công nghệ phân phát khóa mật mã lượng tử trong một đường cáp quang sáng nối giữa hai đầu cuối cách nhau 26 km của Tập đoàn thông tin BT (Anh Quốc).