Các nhà khoa học Đức vừa thực hiện một bước đột phá quan trọng trong lĩnh vực công nghệ thông tin lượng tử khi lần đầu tiên triển khai thành công thí nghiệm phân phối khóa lượng tử (QKD) liên tỉnh bằng cách sử dụng các chấm lượng tử làm nguồn phát photon đơn. Thí nghiệm này đánh dấu một bước tiến lớn trong việc phát triển các mạng lưới internet lượng tử an toàn và mạnh mẽ hơn trong tương lai.
Các phương pháp mã hóa truyền thống hiện nay chủ yếu dựa trên những thuật toán toán học phức tạp. Tuy nhiên, với sự tiến bộ vượt bậc của máy tính lượng tử, các phương pháp này đang dần trở nên không an toàn. Điều này thúc đẩy nhu cầu phát triển các phương pháp bảo mật mới, trong đó phân phối khóa lượng tử (QKD) là một giải pháp tiềm năng. QKD tận dụng các tính chất đặc biệt của vật lý lượng tử để bảo đảm an toàn thông tin trong quá trình truyền dữ liệu, qua đó giúp bảo vệ thông tin khỏi các cuộc tấn công mạng nguy hiểm.
Khác với Internet hiện tại dựa trên các bit thông tin có thể là 0 hoặc 1, Internet lượng tử sử dụng các hạt lượng tử (qubit) có thể tồn tại ở nhiều trạng thái cùng một lúc. Điều này cho phép truyền tải thông tin với tốc độ nhanh hơn và bảo mật cao hơn nhiều so với công nghệ hiện tại.
Đột phá từ thí nghiệm liên tỉnh sử dụng chấm lượng tử
Trong một nghiên cứu mới được đăng tải trên tạp chí Light: Science and Applications, nhóm các nhà khoa học Đức, do giáo sư Fei Ding từ Đại học Leibniz Hannover (LUH), giáo sư Stefan Kück từ Viện Vật lý và Công nghệ Liên bang (PTB) ở Đức và giáo sư Peter Michler từ Đại học Stuttgart dẫn đầu, đã tiến hành thí nghiệm phân phối khóa lượng tử đầu tiên sử dụng nguồn photon đơn từ chấm lượng tử. Thí nghiệm này không chỉ mở ra khả năng ứng dụng chấm lượng tử trong lĩnh vực truyền thông lượng tử mà còn chứng minh tính khả thi của việc áp dụng công nghệ này trên mạng lưới truyền thông thực tế.
Các chấm lượng tử, được gọi là "nguyên tử nhân tạo" trong thế giới lượng tử, cho thấy tiềm năng to lớn trong việc phát triển nguồn sáng lượng tử và được sử dụng để phát ra các photon đơn – yếu tố quan trọng trong phân phối khóa lượng tử. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng các chấm lượng tử bán dẫn để tạo ra nguồn photon đơn, mở ra tiềm năng xây dựng mạng internet lượng tử an toàn và đáng tin cậy.
Nhờ vào hiện tượng vướng víu lượng tử, thông tin có thể được truyền đi tức thời, bất kể khoảng cách.
Liên kết lượng tử Hạ Saxony
Thí nghiệm được thực hiện trong khuôn khổ dự án "Liên kết lượng tử Hạ Saxony", kết nối hai thành phố Hanover và Braunschweig bằng một sợi quang dài 79 km. Trong thí nghiệm này, Alice, thiết bị đặt tại Đại học Leibniz Hannover, chuẩn bị photon đơn để mã hóa thông tin bằng cách điều chỉnh phân cực của nó. Bob, thiết bị tại Viện Vật lý và Công nghệ Liên bang (PTB) ở Braunschweig, đóng vai trò giải mã các photon đơn này khi chúng được truyền đến qua sợi quang.
Đây là lần đầu tiên một liên kết truyền thông lượng tử được triển khai thành công giữa hai thành phố trong thực tế. Thí nghiệm đã chứng minh rằng việc sử dụng chấm lượng tử có thể mang lại hiệu quả cao trong việc truyền khóa lượng tử qua khoảng cách lớn.
Thông tin được mã hóa bằng các quy luật của vật lý lượng tử, bất kỳ nỗ lực nào để đánh chặn hoặc sao chép thông tin đều sẽ làm thay đổi trạng thái của qubit, khiến kẻ tấn công dễ dàng bị phát hiện.
Thành tựu và tiềm năng phát triển
Nhóm nghiên cứu đã đạt được những kết quả ấn tượng với tốc độ truyền khóa lượng tử ổn định và nhanh chóng. Trong phòng thí nghiệm, tỷ lệ khóa dương (SKR) đạt được ở khoảng cách lên tới 144 km với mức giảm tín hiệu 28,11 dB. Trên thực tế, việc truyền khóa với tỷ lệ lỗi bit lượng tử thấp đã kéo dài suốt 35 giờ, chứng minh khả năng của công nghệ này trong môi trường thực tế.
Kết quả này vượt trội so với các hệ thống phân phối khóa lượng tử hiện có, đồng thời tiến gần hơn đến hiệu suất của các giao thức QKD tiên tiến dựa trên xung mạch lạc yếu. Điều này cho thấy tiềm năng lớn của chấm lượng tử trong việc phát triển các mạng truyền thông lượng tử dung lượng cao và quy mô lớn.
Ngoài việc phân phối khóa lượng tử, các nhà khoa học còn hy vọng rằng chấm lượng tử có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng internet lượng tử khác như bộ lặp lượng tử và cảm biến lượng tử phân tán. Điều này là nhờ khả năng lưu trữ thông tin lượng tử và phát ra các trạng thái photon cụm của chấm lượng tử.
Internet lượng tử sẽ tạo điều kiện cho sự phát triển của máy tính lượng tử, có khả năng giải quyết các vấn đề phức tạp mà máy tính hiện tại không thể xử lý được.
Tiến tới một tương lai internet lượng tử
Truyền thông an toàn luôn là nhu cầu thiết yếu của con người, và công nghệ truyền thông lượng tử có thể là câu trả lời cho vấn đề này. Bằng cách sử dụng các tính chất đặc biệt của ánh sáng, công nghệ này đảm bảo rằng thông tin không thể bị chặn hoặc can thiệp. Sự thành công của thí nghiệm đã mở ra một tương lai mới cho các ứng dụng internet lượng tử, nơi thông tin được bảo mật tuyệt đối.
Giáo sư Fei Ding, một trong những người dẫn đầu nghiên cứu, bày tỏ sự phấn khởi: "Cách đây vài năm, chúng tôi chỉ mơ ước về việc sử dụng chấm lượng tử trong các kịch bản truyền thông lượng tử thực tế. Hôm nay, chúng tôi đã chứng minh tiềm năng của chúng cho các thí nghiệm và ứng dụng thú vị hơn trong tương lai, hướng tới một internet lượng tử an toàn và hiệu quả hơn".
Với bước đột phá này, công nghệ lượng tử tiếp tục tiến bước vào tương lai, mở ra cơ hội lớn cho sự phát triển của một mạng lưới truyền thông toàn cầu an toàn và mạnh mẽ hơn.