Vệ tinh lượng tử của Trung Quốc đạt được “tác động ma quỷ” ở khoảng cách kỷ lục
Một nhóm các nhà vật lý Trung Quốc cho biết họ đã gửi được các hạt lượng tử trong trạng thái rối từ vệ tinh tới các trạm mặt đất cách xa 1200 km, phá vỡ kỷ lục thế giới trước đó. Kết quả này là một bước tiến đáng kể để đạt tới truyền thông siêu an toàn và, cuối cùng, là mạng không gian internet lượng tử 1.
Thomas Jennewein, một nhà vật lý của Đại học Waterloo ở Canada nói: “Họ bắt đầu với ý tưởng táo bạo này và đã làm được. Đó là một thành tựu to lớn”.
Rối lượng tử là một trạng thái đặc biệt khi các đối tượng vật lý cùng một lúc ở trong các trạng thái khác nhau 2. Các nhà vật lý đã tạo được trạng thái rối giữa các điện tử, các photon, … cũng như giữa các đối tượng lớn hơn như các mạch điện siêu dẫn. Về lý thuyết, ngay cả khi các đối tượng ở trong trạng thái rối bị tách ra, thì sự rối của chúng vẫn duy trì cho đến khi một trong số các đối tượng đó được đo. Phép đo đó ngay lập tức xác định trạng thái của các đối tượng còn lại, cho dù chúng ở vị trí nào trong không gian. Tính chất phản trực giác như thế đã khiến Albert Einstein phải chế giễu nó như là “tác động ma quỷ bất kể khoảng cách.”
Từ những năm 1970, các nhà vật lý đã bắt đầu kiểm tra sự hiện hữu của ‘tác động ma quỷ’ nói trên với khoảng cách ngày càng tăng. Năm 2015 một thí nghiệm phức tạp, bao gồm đo các điện tử đã được làm rối với nhau nhưng bị tách ra xa một khoảng cách 1.3 km, đã một lần nữa cho thấy ‘tác động ma quỷ’ là có thật. Không chỉ là các kết quả có ý nghĩa khoa học cơ bản, các thí nghiệm như vậy mở ra khả năng truyền thông an toàn, không thể bị hack. Các chuỗi photon rối được chia sẻ giữa các địa điểm cách xa nhau có thể tạo thành “các chìa khóa lượng tử” 3 phục vụ truyền thông bảo mật tuyệt đối, vì bất kỳ hành vi nghe lén nào đều gây ra nhiễu và sẽ bị phát hiện. Tuy nhiên, độ rối giữa các photon bị suy giảm nhanh khi chúng truyền qua không khí hoặc trong các sợi quang. Cho đến nay, khoảng cách xa nhất có thể thiết lập một chìa khóa lượng tử chỉ là vài trăm km. Sử dụng các “bộ lặp lượng tử” 4 cho phép chuyển thông tin lượng tử từng đoạn ngắn mà không làm giảm đáng kể độ rối nhưng phương pháp này vẫn còn chưa hoàn thiện. Nhiều người đã mơ ước tới việc sử dụng vệ tinh để gửi thông tin lượng tử qua khoảng không của vũ trụ (ở đó mật độ không khí loãng gần như là chân không). Fernández Mármol, nhà vật lý thuộc Hội đồng Nghiên cứu Quốc gia Tây Ban Nha ở Madrid nói: “Một khi các vệ tinh phân phối tín hiệu lượng tử của bạn trên toàn cầu,bạn đã vượt qua tất cả các vấn đề về mất mát thông tin khi truyền theo các quang sợi”.
Jian-Wei Pan từ Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc ở Thượng Hải đã có cơ hội thử nghiệm ý tưởng này khi vệ tinh Micius (tên gọi đặt theo tên của một triết gia cổ đại Trung Hoa) được phóng lên không gian vào tháng 8 năm 2016. Vệ tinh này là nền tảng của các thí nghiệm lượng tử trị giá 100 triệu USD theochương trình Quy mô Vũ trụ. Như một sứ mệnh, Trung Quốc muốn trở thành một sức mạnh khoa học vũ trụ ngang hàng với Mỹ và Châu Âu. Trong thí nghiệm đầu tiên một chùm laser được bắn vào một tinh thể có thể thay đổi ánh sáng đặt sẵn trên vệ tinh. Tinh thể này phát ra các cặp photon rối sao cho các hướng phân cực của chúng luôn ngược nhau khi một trong hai photon của một cặp được đo. Mỗi cặp photon đều được tách ra, một photon được gửi tới Delingha còn photon kia tới Lijiang, hai nơi cách nhau 1200 km. Cả Delingha và Lijiang đều ở trên núi Tây Tạng, nơi mật độ không khí rất thấp. Nhóm nghiên cứu đã đo đồng thời hơn 1000 cặp photon và nhận thấy các photon có hướng phân cực ngược nhau thường xuyên hơn nhiều so với tính toán dựa trên sự ngẫu nhiên, do đó xác lập kỷ lục về khoảng cách mà ‘tác động ma quỷ’ hiện hữu. Trở ngại lớn phải vượt qua là việc giữ tiêu điểm của các chùm photon tại các trạm mặt đất khi vệ tinh bay nhanh trên quỹ đạo không gian với tốc độ gần 8 km/giây.
Nhà vật lý tại Đại học Quốc gia Singapore, Alexander Ling, cho biết: “Đó là một nhiệm vụ đầy thách thức, rất đáng khích lệ.” Nhưng Ling lưu ý rằng nhóm của Pan chỉ mới xử lý được khoảng một trong mỗi 6 triệu photon gửi ra từ vệ tinh – tuy tốt hơn hẳn so với các thí nghiệm trên mặt đất nhưng vẫn còn quá tồi đối với truyền thông lượng tử thực tế. Pan đang đợi Trung tâm Khoa học Vũ trụ Quốc gia Trung Quốc phóng thêm một số vệ tinh mới với những chùm sáng mạnh hơn để có thể được tiến hành đo ngay cả ban ngày (Micius chỉ hoạt động vào ban đêm). “Trong 5 năm tới, chúng tôi dự định sẽ phóng một số vệ tinh lượng tử tân tiến hơn”, Pannói.
Trong khi chờ đợi, Pan có kế hoạch sử dụng Micius để phân phối chìa khóa lượng tử cho các trạm mặt đất của Trung Quốc, điều đòi hỏi các chuỗi photon phải dài hơn và phải bổ sung một số bước kỹ thuật. Tiếp tới, Pan muốn tiến hành phân phối chìa khóa lượng tử liên lục địa giữa các trạm ở Trung Quốc và Áo, điều đòi hỏi phải giữ trên vệ tinh một photon của mỗi cặp photon rối cho tới khi trạm mặt đất của Áo xuất hiện trong tầm nhìn của vệ tinh. Ông cũng dự định thực hiện viễn chuyển trạng thái lượng tử 5– một kỹ thuật chuyển thông tin lượng tử mà không di chuyển đối tượng mang thông tin đó – từ một đài quan sát thứ ba ở Tây Tạng tới vệ tinh.
Các quốc gia khác cũng đang hướng tới các thí nghiệm lượng tử trong vũ trụ. Ling đang hợp tác với các nhà vật lý ở Úc để gửi thông tin lượng tử giữa hai vệ tinh, và Cơ quan Vũ trụ Canada vừa thông báo sẽ tài trợ cho một vệ tinh lượng tử nhỏ. Các nhóm ở châu Âu và Mỹ cũng đề xuất đưa các công cụ/thiết bị lượng tử lên Trạm Vũ trụ Quốc tế. Một trong các mục tiêu là kiểm tra xem rối lượng tử có bị ảnh hưởng không bởi một trường hấp dẫn thay đổi, bằng cách so sánh hai photon của cùng một trạng thái rối, một trong môi trường hấp dẫn yếu hơn của quỹ đạo và một trên mặt đất. Anton Zeilinger, nhà vật lý thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Áo ở Vienna, nói: “Vẫn còn chưa có nhiều thí nghiệm kiểm tra mối liên hệ giữa hấp dẫn và vật lý lượng tử.”Vấn đề không chỉ là thiết lập một kỷ lục về khoảng cách: Một mạng lưới vệ tinh trong tương lai có thể kết nối các máy tính lượng tử đặt tại các phòng thí nghiệm mặt đất trên toàn thế giới. Zeilinger, người đang thúc đẩy Cơ quan Vũ trụ châu Âu phóng vệ tinh lượng tử lên quỹ đạo, nói: “Trung Quốc đang đưa ra những quyết định đúng đắn. Cá nhân tôi tin rằng Internet của tương lai sẽ dựa trên những nguyên lý lượng tử này.”
———————————————–
1.https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_network
2. https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_entanglement
3 https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_key_distribution
4. http://www.cqc2t.org/research/quantumrepeater
5. https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_teleportation
