Toshiba tạo được internet lượng tử ‘không thể hack’ ở khoảng cách hàng trăm km cáp quang

Các nhà nghiên cứu của Toshiba đã gửi thành công thông tin lượng tử qua các sợi quang dài 600 km, tạo ra một kỷ lục khoảng cách mới và mở đường cho các mạng lượng tử quy mô lớn có thể được sử dụng để trao đổi thông tin một cách an toàn giữa các thành phố và thậm chí các quốc gia.

Làm việc từ phòng thí nghiệm R & D của công ty Toshiba ở Cambridge, Anh, các nhà khoa học đã chứng minh rằng họ có thể truyền các bit lượng tử (hoặc qubit) qua hàng trăm km sợi quang mà không làm xáo trộn dữ liệu lượng tử mỏng manh đã được mã hóa trong các hạt, nhờ một công nghệ mới ổn định sự biến động môi trường xảy ra trong sợi.

Việc này có thể đạt một chặng đường dài trong việc giúp tạo ra một internet lượng tử thế hệ tiếp theo mà các nhà khoa học hy vọng một ngày nào đó sẽ được mở rộng khoảng cách ra toàn cầu.

Internet lượng tử, sẽ định hình nên mạng lưới toàn cầu gồm các thiết bị lượng tử được kết nối bằng các liên kết giao tiếp lượng tử ở khoảng cách xa, được kỳ vọng sẽ sử dụng cho các trường hợp bất khả thi với các ứng dụng web ngày nay. Chúng bao gồm từ việc tạo ra thông tin liên lạc hầu như không thể bị tấn công, đến việc tạo ra các cụm thiết bị lượng tử được kết nối với nhau có thể vượt qua sức mạnh tính toán của các thiết bị cổ điển.

Nhưng để giao tiếp được với nhau, các thiết bị lượng tử cần gửi và nhận qubit – những hạt nhỏ bé tồn tại ở trạng thái lượng tử đặc biệt, nhưng cực kỳ mỏng manh. Việc tìm ra cách tốt nhất để truyền các qubit mà không làm chúng rơi khỏi trạng thái lượng tử đã khiến các nhà khoa học trên khắp thế giới phải vò đầu bứt tai trong nhiều năm qua.

Một cách tiếp cận bao gồm bắn qubit xuống các sợi quang kết nối các thiết bị lượng tử. Phương pháp này đã thành công nhưng quy mô bị hạn chế: khi có những thay đổi nhỏ trong môi trường, chẳng hạn như sự dao động nhiệt độ, khiến các sợi giãn nở và co lại, và có nguy cơ làm rối tung các qubit.

Đây là lý do tại sao các thí nghiệm với cáp quang, cho đến nay, thường bị giới hạn trong phạm vi hàng trăm km; nói cách khác, không nơi nào đủ để tạo ra internet lượng tử toàn cầu, quy mô lớn mà các nhà khoa học mơ ước.

Để giải quyết các điều kiện không ổn định bên trong sợi quang học, các nhà nghiên cứu của Toshiba đã phát triển một kỹ thuật mới gọi là “ổn định băng tần kép” (dual band stabilization). Phương pháp này gửi hai tín hiệu xuống sợi quang ở các bước sóng khác nhau. Bước sóng đầu tiên được sử dụng để loại bỏ các dao động thay đổi nhanh chóng, trong khi bước sóng thứ hai, ở cùng bước sóng với qubit, được sử dụng để điều chỉnh pha tốt hơn.

Nói một cách đơn giản, hai bước sóng kết hợp với nhau để loại bỏ các dao động môi trường bên trong sợi quang trong thời gian thực, theo các nhà nghiên cứu của Toshiba, cho phép các qubit di chuyển an toàn trên 600 km.

Hiện tại, nhóm của công ty Toshiba đã sử dụng công nghệ này để thử nghiệm một trong những ứng dụng nổi tiếng nhất của mạng lượng tử: mã hóa dựa trên lượng tử.

Được gọi là phân phối khóa lượng tử (Quantum Key Distribution-QKD), giao thức này tận dụng mạng lượng tử để tạo ra các khóa bảo mật không thể bị hack, có nghĩa là người dùng có thể trao đổi thông tin bí mật một cách an toàn, như sao kê ngân hàng hoặc hồ sơ sức khỏe, qua một kênh liên lạc không đáng tin cậy như internet.

Trong quá trình liên lạc, QKD hoạt động bằng cách yêu cầu một trong hai bên mã hóa một phần dữ liệu bằng cách mã hóa khóa mật mã lên các qubit và gửi các qubit đó cho người kia qua mạng lượng tử. Tuy nhiên, do các quy luật của cơ học lượng tử, không thể để một gián điệp đánh chặn các qubit mà không để lại dấu hiệu nghe trộm mà người dùng có thể phát hiện – những người có thể thực hiện các bước để bảo vệ thông tin.

Do đó, không giống như mật mã cổ điển, QKD không dựa vào độ phức tạp toán học của việc giải các khóa bảo mật, mà dựa vào các quy luật vật lý. Điều này có nghĩa là ngay cả những máy tính mạnh nhất cũng không thể hack các khóa dựa trên qubits. Có thể dễ dàng hiểu được lý do tại sao ý tưởng này đang thu hút sự chú ý của mọi thành phần, từ các tổ chức tài chính cho đến các cơ quan tình báo.

Kỹ thuật mới của Toshiba nhằm giảm dao động trong sợi quang cho phép các nhà nghiên cứu thực hiện QKD trên một khoảng cách lớn hơn nhiều so với trước đây có thể. Mirko Pittaluga, nhà khoa học nghiên cứu tại Toshiba Châu Âu cho biết: “Đây là một kết quả rất thú vị. Với các kỹ thuật mới mà chúng tôi đã phát triển, vẫn có thể mở rộng thêm khoảng cách giao tiếp cho QKD và các giải pháp của chúng tôi cũng có thể được áp dụng cho các ứng dụng và giao thức truyền thông lượng tử khác.”

Khi nói đến việc thực hiện QKD bằng cáp quang, mốc 600 km của Toshiba là một kỷ lục, công ty còn dự đoán sẽ cho phép tạo ra các liên kết an toàn giữa các thành phố như London, Paris, Brussels, Amsterdam và Dublin.

Tuy nhiên, các nhóm nghiên cứu khác đã tập trung vào các phương pháp khác nhau để truyền qubit, điều này đã cho phép QKD xảy ra trên những khoảng cách thậm chí còn lớn hơn. Ví dụ, các nhà khoa học Trung Quốc đang sử dụng kết hợp các đường truyền dựa trên vệ tinh giao tiếp với các sợi quang học trên mặt đất và gần đây đã thành công trong việc thực hiện QKD trên tổng khoảng cách 4.600 km.

Mọi cách tiếp cận đều có ưu và nhược điểm: sử dụng công nghệ vệ tinh tốn kém hơn và có thể khó mở rộng quy mô hơn. Nhưng có một điều chắc chắn là các nhóm nghiên cứu ở Anh, Trung Quốc và Mỹ đang thử nghiệm từng bước để biến mạng lượng tử trở thành hiện thực.

Nghiên cứu của Toshiba được tài trợ một phần bởi EU, tổ chức đang thể hiện sự quan tâm sâu sắc đến việc phát triển truyền thông lượng tử. Trong khi đó, kế hoạch 5 năm mới nhất của Trung Quốc cũng dành một vị trí đặc biệt cho mạng lượng tử; và Hoa Kỳ gần đây đã công bố kế hoạch chi tiết đưa ra hướng dẫn từng bước cho việc thiết lập một mạng internet lượng tử toàn cầu.

* Researchers create an ‘un-hackable’ quantum network over hundreds of kilometers using optical fiber | ZDNet

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

Back to top button