Các nhà nghiên cứu tại Đại học Northwestern (Mỹ) vừa lần đầu tiên chứng minh rằng các photon lượng tử có thể truyền qua mạng cáp quang viễn thông thương mại đang hoạt động mà vẫn duy trì được trạng thái rối lượng tử (quantum entanglement), mở ra triển vọng xây dựng Internet lượng tử mà không cần triển khai hệ thống cáp riêng biệt.
Trong thí nghiệm được công bố trên tạp chí Optica Quantum, một photon mang thông tin lượng tử đã di chuyển hơn 24 km qua tuyến cáp quang đang đồng thời truyền tải lưu lượng Internet tốc độ cao. Dù phải đi chung với các tín hiệu viễn thông mạnh, photon này vẫn giữ được liên kết lượng tử với hạt đối tác ở đầu bên kia mạng.
Nhóm nghiên cứu đã phân phối thành công các cặp photon rối lượng tử qua 24,4 km cáp quang lắp đặt sẵn giữa cơ sở Evanston và trung tâm Chicago của Đại học Northwestern. Trong khi đó, cùng tuyến cáp vẫn truyền dữ liệu viễn thông thương mại với dung lượng lớn.
Kết quả cho thấy độ trung thực (fidelity) của trạng thái rối lượng tử vẫn vượt 94%, đủ để xác nhận kết nối lượng tử được bảo toàn và không thể tái tạo bằng các phương thức truyền thông cổ điển.
Theo giáo sư Prem Kumar, Giám đốc Trung tâm Truyền thông và Điện toán Quang tử thuộc Đại học Northwestern, đây là một bước tiến quan trọng trong việc tích hợp công nghệ lượng tử với hạ tầng Internet hiện có.
“Các tín hiệu lượng tử cực kỳ nhỏ bé so với tín hiệu truyền thông thông thường. Điều này giống như một con kiến phải di chuyển giữa đàn voi. Kết quả của chúng tôi cho thấy các photon vẫn có thể sống sót và duy trì trạng thái rối lượng tử sau hành trình đó,” ông nói.
Khác với Internet hiện nay sử dụng các bit mang giá trị 0 hoặc 1, mạng lượng tử dựa trên các trạng thái lượng tử, bao gồm các qubit trong máy tính lượng tử, để lưu trữ và trao đổi thông tin. Một trong những tài nguyên quan trọng nhất là hiện tượng rối lượng tử, trong đó hai hạt vẫn liên kết với nhau dù ở cách nhau rất xa.
Hiện tượng này là nền tảng cho công nghệ dịch chuyển lượng tử (quantum teleportation), cho phép truyền thông tin lượng tử mà không cần bản thân hạt mang thông tin phải di chuyển tới đích.
Tuy nhiên, tín hiệu lượng tử rất dễ bị nhiễu. Chỉ một lượng nhỏ ánh sáng rò rỉ từ các kênh viễn thông thông thường cũng có thể làm mất thông tin được mã hóa trên các photon đơn lẻ.
Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu đã xác định một vùng bước sóng ít nhiễu hơn trong cáp quang, gọi là O-band, nơi các photon lượng tử có thể hoạt động tách biệt với lưu lượng Internet thông thường vốn sử dụng dải C-band.
Các bộ lọc quang học chuyên dụng cũng được bổ sung nhằm giảm thiểu nhiễu phát sinh từ hệ thống truyền dẫn thương mại.
Trong thí nghiệm này, nhóm của giáo sư Prem Kumar đã tạo ra các cặp photon rối lượng tử trong phòng thí nghiệm tại cơ sở Evanston của Đại học Northwestern. Một photon trong mỗi cặp được giữ lại tại Evanston, trong khi photon còn lại được truyền qua tuyến cáp quang hiện có và di chuyển quãng đường 24,4 km đến Trung tâm Trao đổi Truyền thông Quốc gia và Quốc tế StarLight ở khu trung tâm Chicago, cũng thuộc Đại học Northwestern.
Trong thí nghiệm, các photon lượng tử phải chia sẻ tuyến cáp với hai kênh dữ liệu, mỗi kênh có tốc độ 800 gigabit/giây. Tổng công suất truyền dẫn tương đương một mạng có khả năng vận chuyển khoảng 36 terabit dữ liệu mỗi giây.
“Lượng dữ liệu đó tương đương khoảng 20 triệu video YouTube được phát trực tuyến đồng thời trên cùng một sợi cáp quang”, Kumar cho biết.
Một thách thức khác là đồng bộ hóa thiết bị ở hai đầu mạng. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng hệ thống định thời quang học White Rabbit để đồng bộ hai địa điểm với độ chính xác ở mức pico giây, tức một phần nghìn tỷ giây. Điều này cho phép xác định chính xác các cặp photon rối lượng tử giữa lưu lượng dữ liệu khổng lồ đang truyền qua mạng.
Theo nhóm nghiên cứu, thành công này cho thấy các mạng lượng tử trong tương lai có thể được triển khai trên hạ tầng viễn thông hiện hữu thay vì phải xây dựng một hệ thống cáp quang hoàn toàn mới, giúp giảm đáng kể chi phí đầu tư.
Bước tiếp theo của dự án là thử nghiệm dịch chuyển lượng tử giữa các nút mạng từ xa trên mạng viễn thông thực tế. Nhóm nghiên cứu trước đây đã thực hiện thành công dịch chuyển lượng tử trong phòng thí nghiệm và hiện muốn tái lập thành tựu đó trên mạng đô thị đang mang lưu lượng Internet thương mại.
“Chúng tôi đã vượt qua một cột mốc quan trọng khi chứng minh có thể phân phối trạng thái rối lượng tử trên mạng thực. Nhưng để thực hiện dịch chuyển lượng tử còn cần thêm một bước nữa là truyền tải thông tin lượng tử. Mỗi bước đều khó khăn hơn, nhưng kết quả hiện nay cho thấy điều đó hoàn toàn khả thi,” Kumar nói.
Các nhà nghiên cứu chứng minh rằng trạng thái rối lượng tử có thể tồn tại khi truyền qua mạng cáp quang đô thị đang mang lưu lượng dữ liệu Internet cường độ cao. Ảnh minh họa: Shutterstock
