Viễn chuyển và chia sẻ bí mật lượng tử

Lần đầu tiên trên thế giới, các nhà khoa học Hàn Quốc đã đề xuất một giao thức mới cho phép chuyển thông tin lượng tử bí mật giữa nhiều người gửi tới nhiều người nhận cùng một lúc thông qua viễn chuyển lượng tử (quantum teleportation). Về tương lai, phương pháp mới này sẽ mở ra cơ hội sử dụng trên các máy tính lượng tử kết nối qua mạng đầu tiên.

Bí mật lượng tử giữa một nhóm người này có thể viễn chuyển tới một nhóm người khác, bất chấp khoảng cách giữa hai nhóm người này.

Viễn chuyển lượng tử – một cách chuyển trạng thái lượng tử của một hạt vi mô (hoặc một hệ vật lý lượng tử) giữa các đối tác ở xa nhau mà không cần gửi hạt đó (hoặc hệ vật lý lượng tử đó) qua không gian – là một khối hợp nhất (building block) cơ bản của tính toán lượng tử và truyền thông lượng tử, hoạt động được nhờ nguồn tài nguyên lượng tử đặc biệt dưới dạng trạng thái rối lượng tử (quantum entangled state). “Tác động ma quỷ bất chấp khoảng cách” (“spooky action at a distance”) của trạng thái rối lượng tử, như Albert Einstein đã gọi nó, cho phép hai hoặc nhiều hạt vi mô (hoặc hệ vật lý lượng tử), bất kể chúng cách nhau bao xa, duy trì được mối tương quan phi cổ điển giữa chúng theo cách không thể có trong vật lý cổ điển.

Viễn chuyển lượng tử thông thường (được đề xuất lần đầu tiên về mặt lý thuyết từ năm 1993 bởi C. H. Bennett và các cộng sự trong bài báo:  “Teleporting an Unknown Quantum State via Dual Classical and Einstein–Podolsky–Rosen Channels”, Phys. Rev. Lett. 70, 1895–1899, 1993) có thể được thực hiện với điều kiện tiên quyết là một người gửi và một người nhận chia sẻ với nhau một cặp hạt đã được làm rối lượng tử với nhau từ trước (pair of entangled particles). Ví dụ, nếu đó là hai photon rối với nhau, thì người gửi giữ một photon, để cho tiện gọi là photon thứ nhất, và người nhận giữ photon còn lại, để cho tiện gọi là photon thứ hai.  Ngoài ra, người gửi được giao thêm một photon độc lập nữa, để cho tiện gọi là photon thứ ba. Photon thứ ba này ở trong một trạng thái xác định nào đó nhưng người gửi không được phép biết. Mặc dầu vậy, người gửi vẫn có thể chuyển trạng thái không biết đó cho người nhận mà không cần chuyển photon thư ba qua không gian, chỉ cần làm các thao tác tại chỗ và sử dụng một kênh truyền thông cổ điển. Đầu tiên, người gửi cho hai photon mà mình đang nắm giữ (photon thứ nhất và photon thứ ba) tương tác với nhau (theo một cách nhất định). Sau đó, người gửi đo kết quả của sự tương tác này rồi thông báo cho người nhận biết kết quả đo đó thông qua một kênh cổ điển. Sau khi nhận được thông tin cổ điển từ người gửi, người nhận có thể khôi phục trạng thái của photon thứ ba trên photon thứ hai mà người nhận đang nắm giữ. Bằng cách đó, trạng thái của photon thứ ba ở phía bên người gửi đã được viễn chuyển sang trạng thái của photon thứ hai ở phía bên người nhận, bất luận hai người này ở cách nhau bao xa. Sự viễn chuyển trạng thái lượng tử như này xảy ra gần như tức thời và hoàn toàn được bảo mật.

Từ đơn giao tiếp đến đa giao tiếp

Thực nghiệm đầu tiên về viễn chuyển lượng tử đã được thực hiện vào năm 1997, khi các nhà nghiên cứu đã thành công trong việc viễn chuyển trạng thái spin (hoặc trạng thái phân cực) của một photon. Kể từ đó, nhiều nhóm khác nhau đã viễn chuyển được các trạng thái spin của nguyên tử, của hạt nhân và của các ion bị bẫy bắt (trapped ions), v.v.

Tuy nhiên, theo một nhóm nghiên cứu của Hàn Quốc, chưa có giao thức toàn cầu nào cho phép viễn chuyển thông tin lượng tử vốn được chia sẻ bởi một nhóm nhiều người gửi đến một nhóm khác gồm nhiều người nhận theo cách sao cho chỉ khi tất cả các người nhận đồng lòng hợp tác thì thông tin lượng tử đó mới có thể truy cập được, nói cách khác thông tin lượng tử đó cũng bị chia sẻ giữa các người nhận. Sang Min Lee và Hee Su Park thuộc Viện nghiên cứu tiêu chuẩn và khoa học Hàn Quốc tại Daejeon; Seung-Woo Lee thuộc Trung tâm vũ trụ lượng tử tại Viện nghiên cứu cao cấp Hàn Quốc ở Seoul; và Hyunseok Jeong thuộc Khoa Vật lý và Thiên văn học tại Đại học Quốc gia Seoul vừa công bố một công trình trong đó đã đề xuất một giao thức như vậy. Điều quan trọng là, giao thức của họ liên quan đến viễn chuyển “những bí mật lượng tử” theo cách phi tập trung (decentralized), để sao cho thông tin không tập trung váo một người nhận duy nhất nào (thường được gọi là “người nhận đáng tin cậy”).

Nhà vật lý Charles Henry Bennett và cộng sự đã từng đề xuất viễn chuyển lượng tử về mặt lý thuyết từ năm 1993.  

“Không giống như tất cả các giao thức viễn chuyển lượng tử thông thường đã được đề xuất trước đây, giao thức của chúng tôi cho phép viễn chuyển thông tin lượng tử lúc đầu được chia sẻ bởi một số lượng người gửi tùy ý sang một số lượng người nhận tùy ý khác cùng đồng thời chia sẻ thông tin này”, các tác giả cho biết. Nếu bất kỳ một cá nhân hoặc một nhóm con (hoặc nhóm trái phép) nào cố ý truy cập vào bí mật lượng tử ẩn đó, thì mọi nỗ lực đột nhập để lấy thông tin sẽ bị những người trong cuộc phát hiện.

Tính khả thi về mặt nguyên tắc

Qua trao đổi, các nhà nghiên cứu Hàn Quốc cho biết họ đã thực hiện một thí nghiệm viễn chuyển thông tin mật kiểu này giữa hai người gửi và hai người nhận thông qua một mạng rối lượng tử bốn photon. Khác với các kỹ thuật trước đây, trong giao thức này không một cá nhân nào hoặc một nhóm con nào của nhóm các người gửi và nhóm các người nhận có thể truy cập đầy đủ thông tin mật, các tác giả giải thích. Các kết quả chỉ ra rõ ràng rằng thông tin đầy đủ không thể thuộc sở hữu của bất kỳ một nhóm con nào của những người liên quan và bị ẩn (hidden) cho đến khi tất cả mọi người liên quan của nhóm những người nhận đồng ý mở thông tin đó.

Giao thức lượng tử kiểu này tạo điều kiện chuyển tiếp thông tin lượng tử một cách hoàn toàn bảo mật qua mạng mà không yêu cầu phải có các trạm trung tâm – hoặc thậm chí trạm trung gian – hoàn toàn tin cậy. Các nhà nghiên cứu còn cho biết nó có thể được mở rộng hơn nữa để có khả năng sửa các lỗi lượng tử phát sinh do sự mất photon hoặc thậm chí do các lỗi lật pha lượng tử (quantum phase-flip) hoặc lật bit lượng tử (quantum bit-flip) có xác suất xảy ra trong quá trình xử lý thông tin lượng tử trong các điều kiện thực tế khi các hạt hoặc các hệ lượng tử có tương tác với môi trường xung quanh. Những hiện tượng ‘mất đồng bộ” (“decoherence”) như vậy phải được tính đến để có thể thành công trong các quá trình thực hiện tính toán lượng tử. Nói cho cùng, giao thức viễn chuyển thông tin lượng tử kiểu này có thể trở thành một khối hợp nhất cho một mạng lưới máy tính lượng tử phân phối (distributed network of quantum computers) sẽ được hiện thực trong tương lai□.
——-
Chi tiết về giao thức lượng tử mới này có thể xem trong công bố mới đây của các tác giả Hàn Quốc:  S.M. Lee et. al., Phys. Rev. Lett. 124, 060501 (2020).
Tham khảo: https://physicsworld.com/a/quantum-secrets-can-be-teleported-and-shared-between-multiple-senders-and-receivers/