Thí nghiệm gửi các photon ở trạng thái rối – có thể củng cố việc mã hóa dữ liệu lượng tử – đã được tiến hành ở khoảng cách xa chưa từng thấy.
Một bức ảnh ghép từ tháng 12/2016 cho thấy sự liên kết được thiết lập giữa vệ tinh lượng tử mang tên Mặc Tử và một trạm mặt đất ở cao nguyên Tây Tạng.
Chỉ vài tháng thực hiện nhiệm vụ, vệ tinh truyền thông lượng tử đầu tiên trên thế giới đã đạt được một trong những mục tiêu tham vọng nhất của mình.
Theo công bố trên tạp chí Science của các nhà khoa học Trung Quốc, bằng các hạt photon được chiếu giữa vệ tinh và hai trạm mặt đất ở khoảng cách xa, họ đã chứng tỏ các hạt có thể giữ được trạng thái liên kết lượng tử tại khoảng cách xa tới mức kỷ lục, hơn 1.200 km. Hiện tượng này, hay còn gọi là rối lượng tử, có thể được dùng làm cơ sở xây dựng một mạng lưới truyền thông lượng tử có tính bảo mật cao trong tương lai.
Thành công này là kết quả đầu tiên có được từ nhiệm vụ nghiên cứu mang tên Mặc Tử tại Quantum Experiments at Space Scale (QUESS), Trung Quốc. Được phóng vào tháng 8/2016, vệ tinh này được thiết kế để [có thể] chứng minh những nguyên tắc cơ bản của truyền thông lượng tử. Nhóm nghiên sẽ phóng thêm nhiều vệ tinh lượng tử để bắt đầu xây dựng một mạng lưới [truyền thông lượng tử].
Truyền thông lượng tử có tính bảo mật cao bởi vì bất kỳ can thiệp (vào tín hiệu truyền tải) nào đều có thể bị phát hiện. Hai bên có thể trao đổicác thông điệp mã hóa bằng việc chia sẻ khóa mật mã được mã hóa trong các thuộc tính của các hạt trong trạng thái rối lượng tử; bất kỳ “kẻ trộm” thông tin nào xuất hiện cũng đều “đánh động” vào trạng thái rối và bị phát hiện.
Nhóm nghiên cứu Mặc Tử đã hoàn thành các thí nghiệm nhằm trả lời câu hỏi liệu có thể tạo ra các khóa mật mã nói trên bằng cách sử dụng các photon ở trạng thái rối lượng tử hay không, và thậm chí “viễn tải” thông tin bảo mật giữa trái đất và không gian, Pan Jian Wei, nhà vật lý làm việc tại trường ĐH KH&CN Hồ Bắc, Trung Quốc và là kiến trúc sư chính của hệ thống, cho biết. Tuy nhiên, ông và nhóm nghiên cứu của mình vẫn chưa sẵn sàng thông báo kết quả nghiên cứu này.
Thực nghiệm Bell
Theo lý thuyết, các hạt ở trạng thái rối có thể giữ liên kết sau khi tách ra tại bất kỳ khoảng cách nào (trong không thời gian). Điều này có thể được kiểm tra bằng thí nghiệm Bell cổ điển, một thí nghiệm được thiết kế để trả lời câu hỏi liệu thế giới thực (mà chúng ta đang tồn tại) có thoả mãn điều kiện “hiện thực địa phương” không 1.
Trung tâm của các thí nghiệm của QUESS là chùm tia laser được đặt trên vệ tinh. Với thí nghiệm Bell, chùm tia đã được tách ra để tạo thành các cặp photon cùng chia sẻ một trạng thái lượng tử chung, ví dụ như phân cực của cặp photon. Các hạt photon ở trạng thái rối được đưa vào hai ống kính thiên văn trên vệ tinh và bắn chúng tới các trạm vũ trụ ở hai địa điểm riêng rẽ: một tại Delingha, phía bắc cao nguyên Tây Tạng, và một ở phía nam cách đó 1.203 km, tại đài quan sát Gaomeigu ở Lệ Giang. Một khi các hạt được bắn tới, nhóm nghiên cứu dùng thí nghiệm Bell để kiểm chứng rằng chúng vẫn còn ở trạng thái rối.
Mỗi đêm, các nhà nghiên cứu có khung thời gian ít hơn 5 phút khi vệ tinh, đang ở tại quỹ đạo cao 500km, rơi vào tầm ngắm của hai đài quan sát. Trong khoảng vài tuần tiến hành thí nghiệm, mỗi giây các nhà khoa học có khả năng truyền một cặp photon ở trạng thái rối lượng tử – nhanh hơn 10 lần so với kỳ vọng. Thí nghiệm quan trọng này được hoàn thành vào cuối năm 2016, Pan cho biết: “Chúng tôi rất hạnh phúc khi thấy toàn bộ hệ thống làm việc một cách hoàn hảo”. Trước đây, kỷ lục thuộc về một thí nghiệm với khoảng cách giữa hai điểm quan sát cách nhau 144km.
“Kết quả này là một trong những yếu tố chứng minh có thể thực hiện truyền thông lượng tử tại những khoảng cách giữa các châu lục”, Frédéric Grosshans, nhà vật lý truyền thông lượng tử tại đại học Paris South ở Orsay nhận xét. Các hạt ở trạng thái rối là nhân tố chính của truyền thông lượng tử, ông cho biết thêm.
Vệ tinh thế hệ mới
“Tôi thật sự ấn tượng với kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học Trung Quốc”, Wolfgang Tittel, nhà vật lý tại đại học Calgary, Canada, nói, “Với tôi, sau khi vệ tinh được phóng thì việc họ có thành công hay không vẫn chưa rõ ràng”, và liệu họ có muốn dùng kết quả đó cho nhiệm vụ nghiên cứu tiếp theo hay không.
Pan cho biết, ngoài các thí nghiệm về viễn tải lượng tử và khóa lượng tử, nhóm nghiên cứu còn có kế hoạch dùng Mặc Tử để kiểm tra xem trọng lực ảnh hưởng như thế nào đến trạng thái lượng tử của các hạt photon. Và họ muốn phóng thêm một vệ tinh lượng tử thứ hai, dĩ nhiên được cải tiến, trong vòng hai năm. Thách thức lớn sẽ là nâng cấp công nghệ để có thể gửi và lưu trữ các tín hiệu trong ngày, khi có nhiều hơn các hạt photon và khó khăn hơn để lựa chọn ra những hạt được phóng ra từ vệ tinh.
Lúc này, Pan mới cảm thấy được “minh oan” về thiết kế của chiếc vệ tinh đầu tiên. Các đồng nghiệp của ông từng cho rằng, việc thiết kế ra vệ tinh này quá tham vọng bởi nó phải tạo được ra các photon ở trạng thái rối trong không gian và cần đến hai hệ thống bắn photon.
Một vài dự án tương tự đang trong quá trình lập kế hoạch, như Vệ tinh Khoa học và Mật mã lượng tử Canada (QEYSSat), có cách tiếp cận đơn giản hơn, như tạo ra những hạt photon ở trạng thái rối trên trái đất và truyền chúng lên vệ tinh. Trong nghiên cứu mới được xuất bản trên Quantum Sci. Technol, nhóm nghiên cứu ở QEYSSat đã báo cáo một thí nghiệm thành công dựa trên công nghệ của họ, truyền các hạt photon từ mặt đất lên một máy bay với khoảng cách 10km trên không trung.
Thomas Jennewein, đại học Waterloo – Canada, tham gia nghiên cứu này, cho biết, nhóm nghiên cứu của ông và các nhóm nghiên cứu khác trên toàn thế giới đang chạy đua để bắt kịp nỗ lực của các nhà khoa học Trung Quốc mà theo đánh giá của ông là “những người dẫn đầu thế giới trong lĩnh vực vệ tinh lượng tử”.
Thanh Nhàn dịch
TS. Nguyễn Trần Thuật (Trung tâm Công nghệ nano và năng lượng, ĐH Khoa học tự nhiên, ĐHQGHN) hiệu đính
1. Điều kiện “hiện thực địa phương” này được đưa ra bởi Einstein dựa trên mối quan hệ nhân quả khi vận tốc ánh sáng là hằng số trong mọi hệ quy chiếu quán tính và giả thuyết mọi hạt đều phải có sẵn một giá trị trước khi một phép đo thực nghiệm được tiến hành.
