Giải pháp mạng lượng tử cho thế giới

Trong một phiên họp tại Cuộc họp tháng Ba của Hiệp hội Vật lý Mỹ, hai nhà vật lý về lượng tử đã thực hiện các cách tiếp cận khác nhau để giải quyết một trở ngại trọng tâm trong việc triển khai các mạng lượng tử trên mặt đất quy mô lớn: khoảng cách lớn nhất giữa các nút mạng (node) là bao xa để tín hiệu lượng tử có thể truyền đi qua cáp quang?

Ngăn ngừa đánh cắp dữ liệu

Liang Jiang, giáo sư tại Đại học Chicago, tập trung vào giải pháp được nhiều người theo đuổi nhất: một bộ lặp lượng tử. Các bộ lặp lượng tử sẽ được đặt giữa các nút trong mạng để tái tạo tín hiệu lượng tử để nó có thể truyền đi những khoảng cách xa hơn. Theo Jiang, hiện vẫn chưa có ai chứng minh được một bộ lặp lượng tử thành công, mặc dù đã “có những tiến bộ đáng kể theo hướng này”.

Bộ lặp là một điểm trung gian nhận những tín hiệu đã bị yếu, khuếch đại nó và gửi tiếp đến điểm đích truyền dữ liệu; điều này được thực hiện một cách dễ dàng ở mạng cổ điển bởi vì không hề có sự khó khăn gì trong việc sao chép dữ liệu cổ điển nhưng đối với khoa học lượng tử, đây là một vấn đề chưa được giải quyết. Định lý không nhân bản trong cơ học lượng tử nói rằng khó có thể xây dựng một bộ lặp lượng tử theo nguyên tắc vật lý cổ điển. Một bit lượng tử (đối tượng dùng để truyền tải thông tin trên nền tảng lý thuyết thông tin lượng tử) trong một sợi dây dẫn quang học được mang bởi một photon đơn, và photon này ở một trong hai trạng thái có hay không; nó không thể được "khuếch đại".

Bên cạnh việc tái tạo tín hiệu, các bộ lặp lượng tử cũng có thể ngăn chặn việc mất dữ liệu trong khoảng cách dài thông qua việc sửa lỗi. Mã sửa lỗi rất phổ biến trong các mạng cổ điển, chẳng hạn như Bluetooth và WiFi, nơi chúng kiểm soát các lỗi tự nhiên xảy ra trong dữ liệu khi một tín hiệu chuyển nó từ thiết bị này sang thiết bị khác.

Tuy nhiên, các hệ thống lượng tử rất có xu hướng gặp lỗi vì tính chất nhạy cảm của các trạng thái lượng tử của chúng, vì vậy sửa lỗi là một lĩnh vực nghiên cứu lớn và quan trọng trong lĩnh vực công nghệ lượng tử.

Jiang nói: “Hiện có hai câu hỏi quan trọng cần đặt ra, từ góc độ lý thuyết. Đầu tiên, lượng thông tin lượng tử tối đa có thể được truyền qua một kênh cáp quang nhiễu là bao nhiêu? Thứ hai, giả sử chúng ta biết giới hạn đó: liệu chúng ta có thể thành công trong việc thiết kế mã sửa lỗi lượng tử tốt không?”.

Ngoài các chiến lược sửa lỗi lượng tử trong bộ lặp lượng tử, cũng như hiệu quả của chúng, Jiang đã chia sẻ một ứng dụng khác của mạng lượng tử: trung tâm dữ liệu lượng tử (QDC), nơi người dùng trên mạng lượng tử có thể truy cập cơ sở dữ liệu cổ điển cho mục đích lượng tử tin học. Thiết bị cần thiết để truy xuất dữ liệu cổ điển từ cơ sở dữ liệu dưới dạng các bit lượng tử, được gọi là bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên lượng tử (QRAM), có thể sẽ cực kỳ đắt tiền, nhưng Jiang coi QDC là một giải pháp.

Jiang nói: “Chúng ta có thể sử dụng QRAM như một máy chủ lượng tử, kết nối với người dùng thông qua mạng lượng tử. Tất cả người dùng cá nhân sau đó có thể truy vấn cơ sở dữ liệu thông qua mạng lượng tử mà không cần phải có QRAM bên mình. Điều này có thể chia sẻ chi phí của một thiết bị đắt tiền như vậy”.

Đưa mạng lượng tử lên không gian và hơn thế nữa

Đối với Paul Kwiat, Giáo sư Vật lý Bardeen tại Đại học Illinois Urbana-Champaign, giải pháp cho vấn đề mất tín hiệu cáp quang có thể là đưa mạng lượng tử lên khỏi mặt đất và lên không trung, thông qua máy bay không người lái, hoặc thậm chí vào không gian, với các vệ tinh.

Kwiat nói: “Hiện tại, chúng ta hầu như chỉ có mạng cáp quang cục bộ, với rất ít trường hợp ngoại lệ. Tôi đang hướng tới một tương lai, nơi chúng ta có kết nối giữa tất cả các loại nền tảng… bằng cách sử dụng vệ tinh, kết nối với các phương tiện bay, máy bay không người lái, xe tải hoặc thuyền”. Ông lưu ý rằng sự suy giảm tín hiệu qua không gian tự do chậm hơn nhiều so với qua các sợi quang, có nghĩa là tín hiệu lượng tử có thể được truyền đi một khoảng cách xa hơn.

Một mạng lượng tử “di động” như vậy, nơi các nút có thể dễ dàng định vị lại, sẽ mang lại nhiều lợi ích. Một số lợi ích mang tính khoa học, chẳng hạn như tiến hành cảm nhận lượng tử quy mô lớn hoặc nghiên cứu các hiện tượng lượng tử trong các khung quán tính khác nhau để kiểm tra mối quan hệ giữa cơ học lượng tử và thuyết tương đối. Một số lợi ích lại mang tính thực tế hơn: sử dụng các phương tiện bay trên không làm nút cho liên lạc lượng tử, nơi kết nối cáp quang không phải là một lựa chọn, chẳng hạn như trên các tàu hải quân trên đại dương.

Một mạng lượng tử giữa các vệ tinh trong không gian sẽ cho phép thực hiện nhiều thử nghiệm hơn nữa về cơ học lượng tử cơ bản, với khoảng cách và vận tốc lớn hơn mức có thể trên trái đất và trên các vùng có hiệu ứng hấp dẫn thay đổi.

Điện toán lượng tử là một lĩnh vực nghiên cứu cơ bản hấp dẫn và quan trọng - nó không chỉ có những ứng dụng tiềm năng quan trọng mà còn có thể cung cấp cái nhìn sâu sắc quan trọng về bản chất của thực tế, bằng cách cho phép các nhà khoa học hiểu rõ hơn về ranh giới giữa thế giới cơ học lượng tử và trải nghiệm hàng ngày. Trong nhiều năm, điện toán lượng tử được coi là “thành tựu khó nắm bắt tiếp theo trong công nghệ — một chiến trường khoa học quốc tế quan trọng mới. Công nghệ điện toán lượng tử vẫn đang trong giai đoạn phát triển ban đầu và nhiều ứng dụng hứa hẹn nhất vẫn chưa được hiện thực hóa. Và đây là một “miền đất hứa” cho các nhà khoa học.