Viễn tải lượng tử và cuộc đua Internet tương lai

Từ lý thuyết của Einstein tới hiện thực

Viễn tải lượng tử sinh ra từ chính những nghịch lý của vật lý thế kỷ 20. Năm 1935, Einstein cùng Podolsky và Rosen đưa ra hiện tượng rối lượng tử (entanglement) nhằm chứng tỏ cơ học lượng tử “chưa đầy đủ”. Ông gọi đó là “tương tác xa ma quái”. Nhưng lịch sử đã rẽ sang một hướng khác: Điều Einstein nghi ngờ hóa ra lại là thật!

Khi hai hạt lượng tử ở trạng thái rối, chúng tồn tại như một thể thống nhất. Biết trạng thái hạt này, lập tức ta biết trạng thái hạt kia, bất kể khoảng cách giữa chúng xa bao nhiêu. Hãy hình dung một cặp phi hành gia vợ chồng bay về hai thiên hà khác nhau; nếu ở thiên hà A, người ngoài hành tinh gặp người chồng, thì họ biết ngay rằng ở thiên hà B chính là người vợ, mà không cần bay đi kiểm tra! Vì thế người ta nói, rối lượng tử là bằng chứng vũ trụ thống nhất ở thang bậc vi mô (trong khi quán tính là bằng chứng thống nhất của vũ trụ ở thang bậc vĩ mô).

Tuy nhiên, cơ học lượng tử cũng đặt ra một quy luật sắt: Không thể sao chép hoàn hảo một trạng thái lượng tử (Định lý không sao chép, 1982). Không sao chép được, vậy muốn “vận chuyển” trạng thái, người ta buộc phải… phá hủy bản gốc để nhận được đầy đủ các thông tin trạng thái, giống như phải tháo dỡ một ngôi nhà mới biết chi tiết cấu trúc để có thông tin tái tạo nó ở một nơi khác. Hai ý tưởng này hòa trộn nhau tạo nên viễn tải lượng tử.

Vào năm 1993, nhóm nghiên cứu của Charles Bennett tại IBM công bố một bài báo mang tính khoa học viễn tưởng: Có thể “viễn tải” một trạng thái lượng tử từ điểm A đến điểm B bằng cách dùng một cặp hạt rối làm “kênh lượng tử”, cộng thêm một kênh thông tin cổ điển. Trạng thái lượng tử không đi theo dưới dạng vật chất; nó được tái tạo ở điểm đến và biến mất ở điểm gốc. Cần nhấn mạnh rằng, đó không phải là viễn tải con người, như từng được hào hứng mong chờ, mà là cánh cửa mở ra một nền công nghệ mới.

Viễn tải lượng tử thực sự là gì?

Ban đầu giới khoa học cho rằng ý tưởng của Bennett và đồng sự chỉ là trò chơi trí tuệ. Tuy nhiên chỉ bốn năm sau, nhóm của Anton Zeilinger (Áo) thực hiện viễn tải photon thành công trong phòng thí nghiệm (Zeilinger được trao giải Nobel vật lý cho thí nghiệm này). Tại thời điểm đó, viễn tải từ tiểu thuyết viễn tưởng đã bước vào thế giới thực. Tốc độ tiến bộ sau đó thật đáng kinh ngạc:

2004: Thực hiện viễn tải qua 600 m sợi quang.

2010: Truyền qubit qua 16 km không gian tự do.

2012: Phá kỷ lục 143 km giữa hai đảo ở quần đảo Canary.

2017: Trung Quốc thực hiện viễn tải  photon từ mặt đất lên vệ tinh Micius ở độ cao hơn 1.200 km, một bước ngoặt đánh dấu khả năng xây dựng Internet lượng tử liên lục địa.

Các kết quả ấy giúp thế giới nhận ra rằng, đây không còn là trò chơi của các nhà vật lý, mà là nền móng của Internet thế hệ mới, với những tính năng vô cùng vượt trội.

Tuy nhiên với đông đảo quần chúng, viễn tải lượng tử vẫn là thứ gì đó rất bí ẩn. Cho đến nay, hiểu lầm phổ biến nhất vẫn là, viễn tải lượng tử có thể “vận chuyển vật thể”, chẳng hạn “viễn tải” một cô người mẫu từ Nga sang Việt Nam mà cô không phải di chuyển qua 10 ngàn cây số! Thật ra nó chỉ chuyển thông tin về trạng thái lượng tử của vật chất mà thôi. Nó không nhanh hơn ánh sáng, vì vẫn cần kênh truyền tin cổ điển để hoàn tất quá trình. Nó không tạo bản sao, vì bản gốc đã bị hủy khi trạng thái lượng tử của bản gốc được đo đạc, ghi chép và xử lý để “viễn tải” đi xa.

Nói thật chính xác, viễn tải lượng tử là cách tái tạo một trạng thái lượng tử ở nơi khác, trong đó rối lượng tử là “sợi dây liên kết” vô hình.

Nếu chỉ “đơn giản” như thế, tại sao loài người lại hào hứng đến vậy? Câu trả lời nằm ở hai chữ: Bảo mật và máy tính lượng tử.

1. Bảo mật tuyệt đối: Trong viễn tải, thông tin không “đi qua” không gian như thông thường. Kẻ tấn công không thể chặn giữa đường. Cũng không thể sao chép qubit. Với các phương thức truyền tin cổ điển, hacker có thể đọc trộm thông tin. Đó là điều bất khả trong viễn tải và truyền thông lượng tử, vì chính hành động đọc trộm đã thay đổi trạng thái lượng tử của thông tin! Điều này mở ra các khả năng: Giao tiếp an toàn tuyệt đối; truyền mã khóa không thể bị giải mã; và hệ thống chính phủ - ngân hàng - quốc phòng “miễn nhiễm” với hacker. Đây chính là lý do các cường quốc công nghệ như Mỹ, EU hay Trung Quốc đều đầu tư hàng tỷ đô la cho mạng lượng tử.

2. Kết nối máy tính lượng tử thành siêu mạng: Máy tính lượng tử đang tiến rất nhanh nhưng vẫn hạn chế về số qubit thực dùng. Muốn tăng sức mạnh, phải kết nối nhiều máy lượng tử với nhau. Viễn tải lượng tử chính là “xương sống” để tạo ra Internet lượng tử, cho phép các qubit “di chuyển” giữa các bộ xử lý mà không bị thay đổi trạng thái gốc. Khi điều này thành hiện thực, hiệu suất tính toán sẽ vượt xa tất cả những gì chúng ta biết ngày nay.

Một cô gái càng xinh đẹp giỏi giang càng khó chinh phục, viễn tải và truyền thông lượng tử cũng không phải là ngoại lệ. Dù vô cùng hấp dẫn, viễn tải lượng tử vẫn đối mặt với nhiều thách thức.

Thứ nhất, rối lượng tử rất mong manh. Nhiễu loạn môi trường, ánh sáng, rung động cơ học, thậm chí dao động nhiệt nhỏ đều có thể phá hủy rối lượng tử trong chớp mắt.

Thứ hai, truyền qubit qua sợi quang bị suy giảm nhanh. Sau vài chục km, gần như không còn gì. Muốn khắc phục, cần “bộ lặp lượng tử”, một thiết bị đang được chạy đua phát triển.

Thứ ba, độ trung thực của trạng thái viễn tải phải cực cao, tối thiểu khoảng 99% cho ứng dụng máy tính lượng tử. Hiện mới chỉ đạt 85-95%.

Thứ tư, quy mô mạng. Để vận hành Internet lượng tử toàn cầu, cần tạo ra và phân phối hàng tỷ cặp rối lượng tử mỗi giây, một yêu cầu vượt xa khả năng kỹ thuật hiện hành.

Dù còn bộn bề thách thức, nhưng tương lai viễn tải lượng tử khá rõ ràng. Những cột mốc sau đã được hoạch định như sau:

1.         Internet lượng tử trước năm 2040: Mỹ đã thử nghiệm thành công viễn tải qubit qua 44 km sợi quang của mạng Internet thực. EU đang xây “Xa lộ lượng tử” (EuroQCI). Trung Quốc thành công nhất, khi đã xây dựng được mạng lượng tử nối Bắc Kinh với Thượng Hải dài 2.000 km.

Dự báo trong vòng 10-20 năm tới, một mạng lượng tử liên lục địa sẽ thành hình, song song với Internet truyền thống. Nó có những tính năng vượt trội so với Internet hiện hành (và đắt đỏ hơn, tất nhiên!)

2.         Máy tính lượng tử phân tán: Viễn tải lượng tử cho phép nhiều trung tâm dữ liệu lượng tử hoạt động như một hệ thống duy nhất, mở đường cho những ứng dụng như mô phỏng các phản ứng hóa học phức tạp, thiết kế vật liệu mới, tối ưu hóa logistics toàn cầu, thiết kế thuốc chữa bệnh nhanh hơn gấp bội.

3. Công nghệ định vị và cảm biến thế hệ mới: Đồng bộ hóa đồng hồ lượng tử qua viễn tải lượng tử giúp tạo một “GPS lượng tử” chính xác hơn nhiều lần so với GPS truyền thống.

Từ “ma quái” đến tương lai của loài người

Viễn tải lượng tử càng phát triển thì câu hỏi ngàn đời càng được hỏi: Rốt cục thì có thể viễn tải con người hay không? (Ở Hà Nội hay TP Hồ Chí Minh, kẹt xe mệt quá trời!).

Câu trả lời ngắn gọn: Không. Câu trả lời dài hơn: Không, và có thể mãi mãi không!

Một hạt lượng tử đơn lẻ, chẳng hạn photon, chứa rất ít thông tin. Trong khi đó, cơ thể người chứa tới 1027 (một tỷ tỷ tỷ!) hạt, tạo ra một lượng thông tin khổng lồ không thể ghi chép, lưu trữ hay xử lý bằng bất kỳ công nghệ tương lai nào. Hơn nữa, việc “phá hủy bản gốc” để tạo bản sao đặt ra câu hỏi triết học: Đó là “bạn” hay chỉ là bản sao của bạn?

Einstein có thể không thích rối lượng tử, nhưng điều ông xem là “ma quái” có thể trở thành hạ tầng công nghệ của thế kỷ 21. Viễn tải lượng tử không đưa con người từ nơi này sang nơi khác, nhưng có thể đưa nền văn minh sang một kỷ nguyên khác - kỷ nguyên thông tin không thể bị đánh cắp; và máy tính lượng tử trở thành công cụ mở ra những cánh cửa bất ngờ của khoa học.

Cuộc đua đã bắt đầu. Những gì chúng ta thấy hôm nay chỉ là những bước chân chập chững ban đầu.