Thiết lập thành công đường truyền dữ liệu lượng tử 11 dặm bằng phương pháp truyền photon

Cảm biến lượng tử kim cương: Bước tiến mới trong giám sát pin xe điện

Cuộc gọi video đầu tiên trên thế giới qua mạng lượng tử

Công nghệ lượng tử của Toshiba thay đổi ngành viễn thông

Mạng RoQNET - Cơ sở hạ tầng thử nghiệm đầy triển vọng

Nhóm nghiên cứu đã thiết kế và triển khai thành công Mạng lượng tử Rochester (RoQNET) thông qua hai sợi cáp quang. Hệ thống này vận hành dựa trên nguyên lý truyền thông tin qua các photon đơn những hạt ánh sáng riêng lẻ qua đoạn cáp quang dài 11 dặm ở nhiệt độ phòng.

Điểm đáng chú ý của RoQNET là khả năng hoạt động dựa trên các bước sóng quang học mà không đòi hỏi môi trường nhiệt độ đặc biệt. Đây là yếu tố quan trọng giúp giảm chi phí và độ phức tạp khi triển khai thực tế hệ thống truyền thông lượng tử.

Một con chip quang tử được ghép nối với một tinh thể phi tuyến tính cao và một bộ phận mảng sợi quang. Ảnh: Đại học Rochester

Nền tảng của bảo mật không thể xâm phạm

Mạng truyền thông lượng tử có tiềm năng nâng cao bảo mật dữ liệu vượt trội so với hệ thống hiện tại. Nhờ các nguyên lý vật lý lượng tử, việc sao chép hoặc nghe trộm thông tin truyền qua mạng lượng tử sẽ làm thay đổi trạng thái của hệ thống, từ đó giúp phát hiện ngay lập tức mọi nỗ lực xâm nhập.

Các hệ thống này hoạt động dựa trên bit lượng tử (qubit), đơn vị thông tin cơ bản trong máy tính lượng tử. Qubit có thể được tạo ra từ nhiều nguồn vật lý khác nhau như nguyên tử, vật liệu siêu dẫn, hoặc cấu trúc khuyết tật trong kim cương. Tuy nhiên, đối với truyền thông tin qua khoảng cách xa, các nhà khoa học xác định rằng photon là lựa chọn thực tế nhất do khả năng di chuyển nhanh và tương thích với hạ tầng hiện có.

Kết nối đa dạng qubit - Thách thức kỹ thuật then chốt

Điểm nổi bật trong nghiên cứu này là việc tập trung vào kết nối giữa nhiều loại qubit khác nhau trong một mạng thống nhất. Đây là vấn đề kỹ thuật quan trọng vì mỗi loại qubit có những điểm mạnh riêng phù hợp cho từng nhiệm vụ cụ thể.

Chấm lượng tử (quantum dots) thường được sử dụng cho các phép tính nhất định, trong khi ion bẫy (trapped ions) lại phù hợp cho các nhiệm vụ cảm biến chính xác. Photon đóng vai trò là cầu nối lý tưởng vì khả năng di chuyển với tốc độ ánh sáng và tương thích với nhiều bước sóng.

Stefan Preble, giáo sư tại Trường Kỹ thuật Kate Gleason thuộc RIT, giải thích: "Photon di chuyển với tốc độ ánh sáng và phạm vi bước sóng rộng của chúng cho phép giao tiếp với các loại qubit khác nhau. Trọng tâm của chúng tôi là phân tán rối lượng tử, và RoQNET là môi trường thử nghiệm để thực hiện điều đó."

"Rối lượng tử" là hiện tượng hai hạt lượng tử liên kết với nhau, khi trạng thái của hạt này thay đổi sẽ tức thì ảnh hưởng đến hạt kia không phụ thuộc vào khoảng cách. Hiện tượng này là nền tảng cho nhiều ứng dụng tính toán và truyền thông lượng tử.

Vượt qua rào cản công nghệ hiện tại

Một trong những thách thức lớn của truyền thông lượng tử hiện nay là việc phụ thuộc vào các bộ dò photon đơn dây nano siêu dẫn (SNSPDs). Những thiết bị này thường cồng kềnh và đắt tiền, gây khó khăn cho việc triển khai rộng rãi công nghệ.

Nhóm nghiên cứu đã kết hợp chuyên môn trong lĩnh vực quang học, thông tin lượng tử và photonic để phát triển công nghệ dựa trên mạch tích hợp photonic giúp khắc phục hạn chế này. Mục tiêu là tạo ra giải pháp nhỏ gọn, hiệu quả về chi phí và dễ mở rộng.

Vijay Sundaram, nghiên cứu sinh tiến sĩ kỹ thuật vi hệ thống tại RIT và là tác giả chính của công trình, chia sẻ: "Các hạt lượng tử có thể ở hai đầu vũ trụ và chúng vẫn hoàn toàn, hoàn hảo tương quan với nhau. Những thí nghiệm này trước đây thực hiện bằng quang học khối và kính viễn vọng lớn. Chúng tôi đang cố gắng đưa tất cả vào một vi chip duy nhất."

Tính ưu việt của RoQNET trong bối cảnh toàn cầu

So với các dự án mạng lượng tử khác trên thế giới, RoQNET có đặc điểm nổi bật là sử dụng chip photonic lượng tử tích hợp để tạo ra ánh sáng lượng tử và các nút bộ nhớ lượng tử dựa trên trạng thái rắn.

Nickolas Vamivakas, Giáo sư Vật lý Quang học tại Đại học Rochester, người dẫn dắt nỗ lực của trường trong dự án, nhấn mạnh: "Trong khi các nhóm khác đã phát triển mạng lượng tử thử nghiệm, RoQNET độc đáo ở việc sử dụng chip photonic lượng tử tích hợp để tạo ra ánh sáng lượng tử và các nút bộ nhớ lượng tử dựa trên trạng thái rắn."

Công nghệ này mở ra khả năng phát triển mạng lượng tử an toàn và hiệu quả, hỗ trợ các phương pháp mới trong tính toán phân tán và kỹ thuật hình ảnh tiên tiến.

Cơ hội phát triển trong tương lai

Dự án này không dừng lại ở kết nối thử nghiệm giữa hai cơ sở. Nhóm nghiên cứu đang lên kế hoạch mở rộng RoQNET, kết nối với các cơ sở nghiên cứu khác trên khắp tiểu bang New York, bao gồm Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven, Đại học Stony Brook, Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Không quân và Đại học New York.

Việc mở rộng này sẽ tạo cơ hội để thử nghiệm mạng lượng tử trong nhiều môi trường và ứng dụng khác nhau, đồng thời phát triển các giao thức và tiêu chuẩn cần thiết cho hạ tầng internet lượng tử trong tương lai.

Thành tựu của nhóm nghiên cứu đánh dấu bước tiến quan trọng hướng tới việc xây dựng một hệ thống mạng toàn cầu có khả năng truyền thông tin siêu an toàn, góp phần phát triển công nghệ máy tính lượng tử và các ứng dụng liên quan.