Mỹ chuẩn bị "bắn laser xuyên vịnh" 44km: Thử nghiệm truyền tin lượng tử qua không gian tự do, mở đường cho mạng lượng tử tương lai

[Thế Việt]

Dự án Laser lượng tử xuyên vịnh (Q-LATS) do các nhà khoa học Đại học Yale và Stony Brook ở Mỹ thực hiện sẽ sử dụng các cặp photon vướng víu để kiểm tra khả năng thiết lập liên kết lượng tử qua một khoảng cách lớn trong không gian mở, đối mặt với nhiều thách thức từ môi trường.

Q-LATS: Thử thách truyền tin lượng tử qua khoảng cách lớn

Các nhà khoa học tại Hoa Kỳ đang chuẩn bị cho một dự án đầy tham vọng mang tên Q-LATS (Quantum Laser Across the Sound – Laser lượng tử xuyên vịnh). Mục tiêu của dự án này là thử nghiệm khả năng truyền tải thông tin lượng tử qua không gian tự do (free space) trên một khoảng cách đáng kể, một bước tiến quan trọng hướng tới việc xây dựng các mạng lưới lượng tử trong tương lai.

Dự án Q-LATS dự kiến sẽ được triển khai vào mùa hè năm nay (2025). Trong thí nghiệm này, nhóm nghiên cứu sẽ thực hiện các bước sau:

1. Tạo ra các cặp photon vướng víu lượng tử: Đây là những hạt ánh sáng (photon) có một mối liên kết lượng tử đặc biệt, khiến trạng thái của chúng luôn tương quan với nhau ngay cả khi bị tách xa ở những khoảng cách rất lớn.
2. Giữ lại một photon: Một photon trong mỗi cặp sẽ được giữ lại tại phòng thí nghiệm.
3. "Bắn" photon còn lại qua vịnh: Photon còn lại trong cặp sẽ được truyền đi bằng một chùm tia laser từ một kính viễn vọng đặt trên đỉnh tháp Kline, thuộc khuôn viên Đại học Yale.
4. Hành trình 44km: Photon này sẽ di chuyển một quãng đường lên đến 44 km qua vịnh hẹp Long Island Sound.
5. Thu nhận tại đích: Một kính viễn vọng tương tự, được đặt trên nóc một bệnh viện thuộc khuôn viên Đại học Stony Brook, sẽ có nhiệm vụ thu nhận photon này.

Nếu mọi thứ diễn ra đúng như kế hoạch, cặp photon ban đầu, dù đã bị tách xa 44km, vẫn sẽ duy trì được trạng thái vướng víu lượng tử với nhau.

Lý do lựa chọn địa điểm và mục tiêu khoa học

Giáo sư Hong Tang, chuyên ngành Kỹ thuật Máy tính và Điện tại Đại học Yale, một trong những người chủ trì dự án, giải thích rằng ông và các cộng sự đang tận dụng một tình huống địa lý khá đặc biệt. "Ở Mỹ không có nhiều nơi như thế này, một vùng nước (vịnh Long Island Sound) nằm giữa hai viện nghiên cứu lớn (Yale và Stony Brook) và cũng là giữa hai bang khác nhau (Connecticut và New York)," ông nói.

"Chúng tôi muốn thực hiện việc trao đổi thông tin lượng tử qua khoảng cách này để chứng minh rằng việc thiết lập một liên kết lượng tử ổn định qua không gian tự do là hoàn toàn có thể," Giáo sư Tang giải thích thêm về mục tiêu khoa học của dự án.

Truyền tin lượng tử qua không gian tự do vs. Cáp quang

Nhóm nghiên cứu cho biết, hiện nay, các mạng lượng tử thử nghiệm thường sử dụng cáp quang để truyền tải thông tin. Cáp quang, với khả năng cách nhiệt tốt và thường được đặt dưới lòng đất, là một phương tiện hiệu quả để đưa các qubit (các bit thông tin lượng tử), vốn rất mong manh và dễ bị tác động bởi môi trường, đến nơi cần đến.

Tuy nhiên, việc sử dụng cáp quang không phải lúc nào cũng là giải pháp lý tưởng do những vấn đề về địa lý (ví dụ, khó triển khai qua các vùng nước lớn, địa hình hiểm trở) và chi phí lắp đặt cao. Cáp quang cũng không thể được sử dụng để thiết lập liên lạc lượng tử với các vệ tinh trên quỹ đạo hoặc các hòn đảo biệt lập.

Với phương pháp truyền quang học trong không gian tự do, đặc biệt trong các khu vực đô thị, các nhà khoa học có thể truyền thông tin lượng tử từ mái nhà này sang mái nhà khác một cách dễ dàng hơn nhiều so với việc phải lắp đặt hệ thống cáp ngầm phức tạp.

Những thách thức từ môi trường

Dù có nhiều ưu điểm tiềm năng, phương pháp truyền tin lượng tử qua không gian tự do cũng phải đối mặt với không ít rủi ro và thách thức, chủ yếu đến từ các yếu tố môi trường.

"Chúng tôi sẽ phải truyền các photon qua một quãng đường 44 km trong không gian tự do. Điều này có nghĩa là sẽ có rất nhiều sự suy giảm tín hiệu trong không khí do hấp thụ và tán xạ, hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng, và sự hỗn loạn của các luồng không khí do thay đổi nhiệt độ. Ngoài ra, các yếu tố thời tiết xấu như mưa, sương mù và những thứ tương tự cũng có thể xảy ra và ảnh hưởng nghiêm trọng đến tín hiệu," ông Mason Abrell, một thành viên trong nhóm nghiên cứu, cho biết.

Tiềm năng ứng dụng trong tương lai

Nếu thí nghiệm Q-LATS thành công, nó sẽ mở ra những hướng đi mới cho nhiều ứng dụng quan trọng của công nghệ lượng tử. Trong tương lai, nhóm nghiên cứu có thể sẽ thử nghiệm các ứng dụng khác dựa trên nền tảng này, bao gồm:

• Mật mã lượng tử: Tạo ra các kênh liên lạc với độ bảo mật tuyệt đối.
• Truyền hình ảnh độ phân giải siêu cao cho thiên văn học: Giúp các kính thiên văn mặt đất có thể kết nối với nhau để tạo ra hình ảnh vũ trụ với độ chi tiết chưa từng có.
• Phát hiện các hạt năng lượng cao từ vũ trụ.

Dự án Q-LATS là một minh chứng nữa cho thấy công nghệ lượng tử đang ngày càng tiến gần hơn đến các ứng dụng thực tiễn, hứa hẹn mang lại những đột phá trong nhiều lĩnh vực của khoa học và đời sống.