Đây là lý do tại sao ta nên xây cơ sở hạ tầng Internet lượng tử trên quỹ đạo

Internet lượng tử là giấc mơ đang dang dở suốt nhiều năm trở lại đây; trên lý thuyết thì nó hiệu quả dù sử dụng công nghệ đến khoa học còn chưa giải thích được, có điều nó hiện vẫn chỉ là giấc mơ thôi. Trong thực tế, ta vẫn chưa thể tận dụng được khả năng rối kỳ lạ của photon và electron để bí mật gửi đi thông điệp chỉ hai đầu dây liên lạc mới biết.

Rõ ràng, công dụng liên lạc hữu ích trong điều hành chính phủ và trong quân sự, nhưng những ngành cần đảm bảo an ninh như hoạt động ngân hàng, các giao kèo làm ăn hay thậm chí tin nhắn nhạy cảm cũng cần một hệ thống liên lạc bảo mật.

Nhu cầu luôn hiện hữu, và trong lúc đang tìm cách hiện thực hóa nó, có lẽ cũng nên đặt thêm câu hỏi này cho giới khoa học và kỹ thuật:

Ta nên xây dựng một hệ thống internet lượng tử toàn cầu như thế nào?

Ta có được một phần câu trả lời nhờ nỗ lực nghiên cứu của Sumeet Khatri và cộng sự, nhóm hiện đang công tác tại Đại học Bang Louisiana. Họ nghiên cứu một loạt các cách xây dựng internet lượng tử và đưa ra nhận định: để tối ưu hóa chi phí, ta cần xây một dàn vệ tinh lượng tử trên quỹ đạo, liên tục phát những hạt photon đã trong trại thái rối xuống mặt đất. Nói một cách đơn giản, cơ sở hạ tầng tạo nên internet lượng tử sẽ nằm ngoài Trái Đất.

Thứ làm nên bất kỳ hệ thống liên lạc lượng tử nào là yếu tố rối của hạt. Đây là hiện tượng xảy ra khi sự tồn tại của hai hạt lượng tử có liên kết với nhau, ngay cả khi khoảng cách giữa chúng là cực lớn. Tiến hành đo đạc một hạt để ra được giá trị, ta sẽ biết ngay yếu tố của hạt đó và sẽ biết ngay trạng thái của hạt còn lại. Einstein gọi đây là “hoạt động kỳ quái ở khoảng cách xa”.

Hình ảnh đầu tiên về rối lượng tử.

Các nhà vật lý học thường tạo ra “rối lượng tử” thông qua việc sử dụng một cặp photon được tạo ra cùng một nơi và một thời điểm. Khi đưa hai hạt photon ra những địa điểm khác nhau, yếu tố rối cho phép hai hạt có liên hệ với nhau, thông qua việc xoay chúng mà ta có thể gửi đi những thông điệp tuyệt đối an toàn.

Hóc búa ở chỗ trạng thái rối rất dễ tiêu biến. Bất cứ tương tác nào giữa hạt photon và môi trường xung quanh nó đều có thể bẻ gãy liên kết giữa hai hạt. Đó cũng là lý do vệ tinh khó có thể bắn hạt xuyên qua bầu khí quyển hay để hạt chạy trong cáp quang. Khi photon tương tác với nguyên tử trong không khí hay với gương trong cáp, yếu tố rối biến mất. Hóa ra khoảng cách tối đa để rối lượng tử có thể vận hành trơn tru chỉ là vài trăm kilomet.

Vậy làm thế nào để có được mạng internet lượng tử toàn cầu? Có thể tính tới việc sử dụng những bộ repeater lượng tử - các thiết bị nhận về và đo đạc tính lượng tử của hạt photon, rồi chuyển những tính lượng tử đó vào hạt photon mới rồi gửi đi tiếp. Quá trình này sẽ lưu giữ được tính rối của hạt, cho phép nó liên tục nhảy qua các repeater để tới được đích cuối. Tuy nhiên, công nghệ này mới chỉ mang tính thử nghiệm, chắc phải nhiều năm nữa nó mới chín muồi để có thể thương mại hóa.

Một cách thức khác: tạo ra một cặp photon rối trong Vũ trụ rồi phát chúng xuống hai trạm mặt đất. Những trạm mặt đất sẽ thừa hưởng tính rối từ hạt, cho phép đưa tin nhắn đi mà với mức bảo mật cực cao.

Năm 2017, vệ tinh Micius của Trung Quốc đã làm được thử nghiệm chứng minh rằng tính rối vẫn được bảo toàn trong quá trình phát xuống từ quỹ đạo. Hóa ra trong trường hợp này, photon có thể đi được xa hơn dự kiến bởi lẽ nó chỉ cần di chuyển khoảng 20 km trong bầu khí quyển thôi, nếu như vệ tinh bay đủ cao.

Dự án thử nghiệm internet lượng tử của Trung Quốc mở ra tiềm năng lớn.

Giáo sư Khatri và cộng sự nói rằng một dàn vệ tinh tương tự như Micius sẽ là cách tốt hơn cả để triển khai internet lượng tử. Điểm mấu chốt để việc liên lạc được bảo mật: hai trạm mặt đất phải đồng thời nhìn thấy vệ tinh, để cùng nhận được photon rối được phát xuống.

Vệ tinh phải bay cao cỡ nào? Ta cần bao nhiêu vệ tinh như thế? Nhóm nghiên cứu trả lời rằng: “Bởi vệ tinh hiện tại rất đắt đỏ, chúng ta sẽ cần ít vệ tinh nhất có thể để còn duy trì hoạt động lâu dài”.

Để thử nghiệm ý tưởng này, Khatri và cộng sự tạo ra mô hình một dàn vệ tinh lượng tử. Họ phát hiện ra phải đánh đổi một số yếu tố để có một hệ thống vận hành trơn tru. Ví dụ, một lượng vệ tinh ít bay ở độ cao lớn thì sẽ phủ sóng được toàn cầu, tuy nhiên vệ tinh càng cao thì lượng photon thất thoát sẽ càng nhiều.

Nhưng nếu vệ tinh bay thấp, khoảng không để một vệ tinh di chuyển sao cho nó thấy được cả hai trạm mặt đất sẽ rất khiêm tốn. Để dàn vệ tinh bay thấp, ta sẽ cần một lượng lớn hơn các vệ tinh, đẩy chi phí lên quá cao.

Một câu hỏi nữa: Liệu ta có muốn đưa thêm 400 vệ tinh lên quỹ đạo không?

Dựa trên những giới hạn này, giáo sư Khatri nhận định rằng dàn vệ tinh nên có 400 chiếc và bay ở độ cao 3.000 mét. Vậy là gấp nhiều lần yêu cầu của hệ thống GPS, khi mà ta chỉ cần 24 vệ tinh là đã cung cấp được dịch vụ định vị trên mặt đất.

Ngay cả khi dàn vệ tinh có 400 chiếc, khoảng cách giữa các trạm mặt đất bị giới hạn ở mốc 7.500 km. Điều đó có nghĩa rằng khoảng cách của hai đầu dây bị giới hạn ở mức 7.500 km; gửi tin nhắn bảo mật cho người thương ở TP. Hồ Chí Minh thì được, nhưng nếu bạn gái mà sống tại Châu Âu, bạn sẽ không thể tận dụng được rối lượng tử để truyền đi thư tình.

Thế nhưng, giáo sư Khatri và cộng sự nhận định internet lượng tử với dàn vệ tinh trên cao vẫn sẽ hiệu quả hơn các repeater chỉ có thể cách nhau chưa đầy 200 km.

Hệ thống internet lượng tử sẽ cần khoản đầu tư khổng lồ. Trong tình hình kinh tế hiện tại, và dựa trên những thành công mà vệ tinh Micius đã có được, nhận định ban đầu cho thấy Trung Quốc có tiềm năng trở thành quốc gia tiên phong của công nghệ internet lượng tử. Họ đã và đang có kế hoạch triển khai công nghệ mới này trong thực tế.

Châu Âu và Mỹ lại không mấy mặn mà với internet của tương lai. Nhưng tình thế sẽ thay đổi nếu như internet lượng tử chứng minh được bản thân mình. Tới lúc đó, cuộc đua lượng tử sẽ gay cấn lắm.

Tham khảo MIT Technology Review