Các nhà vật lí ở Trung Quốc khẳng định đã cho viễn tải trạng thái lượng tử của photon đi gần 100 km trong không gian tự do, phá kỉ lục trước đó đến 100 lần. Phát triển trên có thể lát đường cho sự truyền thông lượng tử qua vệ tinh, hoặc những kiểm tra cơ bản của cơ học lượng tử trên những cự li xa.
Viễn tải lượng tử là một phương thức truyền trạng thái lượng tử từ nơi này sang nơi khác mà không cần gửi một hạt ở trạng thái đó đi xuyên không gian. Trong sắp xếp thông thường, hai người, Alice và Bob, mỗi người lấy một nửa cặp hạt vướng víu và sau đó gửi chúng đi theo những đường khác nhau. Hễ khi Alice muốn gửi một trạng thái lượng tử cho Bob, cô cho phép một hạt thứ ba ở trạng thái đó tương tác với nửa cặp hạt vướng víu của cô.
Sau đó, Alice gửi kết quả của phép đo lên hệ thống cho Bob bằng một phương tiện truyền thông bình thường (phi lượng tử). Bob sử dụng thông tin này để biến đổi nửa cặp hạt vướng víu của anh ta sao cho nó ở trạng thái lượng tử giống hệt với trạng thái mà Alice muốn gửi tới. Hiện tượng này xảy ra bất chấp thực tế Alice chưa hề gửi đi một hạt thật sự ở trạng thái đó. Một kết quả kì lạ nữa của quá trình trên là mặc dù bản gốc của trạng thái của Alice bị phá hủy bởi phép đo của cô, nhưng Bob có thể làm cho nó xuất hiện lại ở xa gần 100 km.
Quá trình này lần đầu tiên được tiên đoán vào năm 1993 bởi Charles Bennett ở IBM và nó hoạt động do tính vướng víu kì lạ của cơ học lượng tử. Tính chất này cho phép hai hoặc nhiều hạt, đã tương tác với nhau, vẫn giữ liên hệ theo kiểu không thể xảy ra trong vật lí cổ điển – cho dù khoảng cách giữa chúng là bao nhiêu chăng nữa. Kể từ đề xuất của Bennett, sự viễn tải lượng tử đã được triển khai trên những cự li ngắn trong phòng thí nghiệm, sử dụng photon và nguyên tử, và trên những cự li km sử dụng cáp quang. Hồi năm 2010, nhà vật lí Jian-Wei Pan thuộc trường Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Hoa ở Thượng Hải và các đồng sự đã tiến thêm một bước với việc viễn tải các photon đi xa hơn 16 km mà không cần sợi quang – tức là gửi đi trong không gian tự do.
Từ Alice đến Bob: các trạng thái lượng tử được viễn tải đi xa gần 100 km ở Trung Quốc. (Ảnh: Shutterstock)
Bên trong, chứ không phải bên ngoài
Pan cho biết minh chứng trên có công dụng thực tế hạn chế, vì photon được viễn tải phải được chuẩn bị “bên trong” thí nghiệm. Điều này trái với sự hoạt động của những mạng lượng tử thực tế, chúng xử lí những bit thông tin lượng tử, hay qubit, chưa biết và từ bên ngoài đến. “Trong đa số kế hoạch truyền thông lượng tử và trong điện toán lượng tử phân bố, trạng thái ban đầu thật sự là chưa biết và có từ một qubit độc lập,” Pan nói.
Nay của Pan khẳng định đã lặp lại thí nghiệm trên với những qubit photon tạo ra bên ngoài, và mở rộng cự li viễn tải lên 97 km – xuyên qua Hồ Thanh Hải ở miền tây Trung Quốc. Thí nghiệm bắt đầu với một trung gian, “Charlie”, chuẩn bị một cặp photon vướng víu bằng cách gửi một chùm laser tử ngoại qua một tinh thể barium. Charlie gửi một nửa photon vướng víu này đến một nhóm nhà nghiên cứu “Alice” ở gần đó, và gửi nửa kia cho một nhóm nhà nghiên cứu “Bob” ở bên kia bờ hồ, qua một kính viễn vọng. Sử dụng một laser tử ngoại, khi đó nhóm Alice tạo ra những photon mới mà họ muốn viễn tải và cho chúng tương tác với những photon vướng víu ban đầu bằng cách tiến hành cái gọi là phép đo Bell.
Trong bước cuối cùng, nhóm Alice truyền kết quả của những phép đo Bell của họ cho nhóm Bob qua một đường truyền không dây bình thường. Đội của Pan tìm thấy rằng nhóm Bob có thể tái tại những phtoon mới đó từ nhóm Alice với độ tin cậy 80% - nghĩa là các photon được viễn tải trung bình giữ được 80% đặc trưng của chúng so với trước khi chúng được viễn tải.
Truyền thông qua vệ tinh
Pan tin rằng những kết quả trên cấu thành một kỉ lục mới. “So với sự viễn tải lượng tử trước đây với [nhiều] photon, sự viễn tải của chúng tôi đã tăng cự li truyền lên hai bậc độ lớn,” ông nói. “Kết quả của chúng tôi cho thấy độ tin cậy của việc triển khai sự viễn tải lượng tử giữa vệ tinh và các trạm mặt đất. Việc thu được sự truyền thông lượng tử và tiến hành những kiểm tra cơ bản của các định luật của cơ học lượng tử trên quy mô toàn cầu chắc chắn là mục tiêu tiếp theo.”
Nhà vật lí Nicolas Gisin thuộc trường Đại học Geneva ở Thụy Sĩ, người đồng sáng lập ra một công ti tên là ID Quantique chuyên sản xuất những hệ mật mã lượng tử, tán dương công trình nghiên cứu trên, nhưng ông tin rằng nó “có chút gian trá”. Một khả năng gian trá, theo ông, là cùng một laser tử ngoại lại dường như đang phát ra cả những photon vướng víu lẫn photon được viễn tải, cái sẽ không xảy ra trong một hệ thống thực tiễn. Một quan ngại nữa là khi sự viễn tải thật sự xảy ra. “Khi phép đo trạng thái Bell – cái kích hoạt quá trình viễn tải – được Alice thực hiện, thì photon đang truyền về phía Bob vừa mới rời đi,” Gisin nói. “Tốt hơn hết là nó cách vài ba mét thôi. Vì thế, sự viễn tải được khẳng định hơn 97 km là có chút hơi quá.”
Tuy nhiên, Gisin nghĩ minh chứng trên là “ấn tượng”. “Bài báo này được chào đón và sẽ thu hút sự chú ý,” ông nói.
Hoài Ân – thuvienvatly.com
Nguồn: physicsworld.com
