Mã hóa lượng tửlà kỹ thuật sử dụng hiện tượngvướng víu lượng tửcủa các hạt vật chất, thí dụ như cácphotonsánh sáng, để truyền những thông tin đã đượcmã hóa, từ đó tạo nên một mạng viễn thông lượng tử siêu bảo mật.
Sơ đồ của hệ thống gởi nhận
Đây từ lâu là mơ ước của các nhàkhoa họcbởi những đặc tính kỳ diệu của nó, thế nhưng quá trình phát triển luôn đối mặt với thách thức cực lớn về mặt vật lý: các photons vướng víu cực khó để có thể truyền đi xa. Ngay cả khi truyền bằng cáp quang thì chúng chỉ có thể đi được khoảng 240 km trước khi hoàn toàn suy biến. Và thật bất ngờ, các nhà nghiên cứu tại Viện khoa họcTrung Quốcđã tìm được giải pháp xử lý điều đó, cho phép họ gởi được tới 745 photons từ dưới đất lên trên vệ tinh trong không gian.
Trên mặt lý thuyết, vướng víu lượng tử (hoặc rối lượng tử) được mô tả với 2 photons có liên hệ với nhau, trong đó trạng thái của photon này quyết định trạng thái của photon kia nên nếu đo lường được trạng thái của photon này thì sẽ biết được trạng thái của photon còn lại. Hơn thế, mối liên hệ này vẫn đúng bất kể khoảng cách giữa 2 photon đó. Tuy nhiên, trên thực tế thì việc chia cách 1 cặp photon mà không phá vỡ trạng thái vướng víu giữa chúng là cực kỳ khó khăn.
Tuy nhiên, nếu duy trì được sự vướng víu của cặp photon này thì chúng ta sẽ có được một kênh thông tin liên lạc hoàn toàn không thể nhiễu loạn. Và một trong những ứng dụng cũa hệ thống đó chính là tạo nên một hệ thống mã hóa thông tin liên lạc siêu bảo mật. Việc can thiệp vào hệ thống này là bất khả thi bởi bất kỳ thứ gì làm nhiễu loạn các mã khóa lượng tử thì ngay lập tức sẽ bị phát hiện.
Và từ lâu người ta đã nghĩ tới việc dùng các vệ tinh để chuyển tiếp những photon vướng víu vào không gian, sau đó gởi trở lại. Tuy nhiên, mãi cho tới tháng 8 vừa rồi thì các nhà nghiên cứu Trung Quốc mới chính thức phóng vệ tinh Thử nghiệm lượng tử với giá trị lên tới 100 triệu đô lên không gian nhằm thật sự thử nghiệm ý tưởng đó. Vệ tinh đặc biệt này được cho là có trang bị hệ thống gương và laser cùng một loại tinh thể đặc biệt với khả năng mã hóa dữ liệu và nhúng những đoạn mã mở khóa vào trong các photon. Những photon rối hạt có chứa thông tin mã hóa sau đó sẽ được gởi xuống Trái Đất, nghĩa là vượt qua quãng đường gần 2400 km để di chuyển qua lại giữa vệ tinh và một trạm thu tại Trung Quốc.
Khó khăn chưa dừng lại ở đó bởi người ta còn phải tìm cách nhận và giải mã kiểm chứng dữ liệu ở bên dưới Trái Đất. Nhóm nghiên cứu cho biết tinh thể có thể tạo ra gần 6 triệu cặp photons tại bất kỳ thời điểm nào nhưng 2 trạm thu bên dưới Trái Đất lại nằm cách nhau tới gần 1200 km và chỉ có thể phát hiện được khoảng 1 cái mỗi giây. Một thành viên trong nhóm nghiên cứu cho biết “đó thật sự là một nhiệm vụ đầy thách thức. Nó giống như việc bạn cố gắng nhìn rõ một sợi tóc người từ khoảng cách 300 mét.”
Trước đây mạng lưới lượng tử đã chứng minh được những kết quả đầy hứa hẹn khi thử nghiệm trong hệ thống cáp dưới đất, trong đó các nhà nghiên cứu đã dùng một thiết bị định tuyến đặc biệt để gởi và nhận các photon rối hạt thông qua cáp quang. Hồi năm 2003, một nghiên cứu do cơ quan các dự án phòng thủ tiên tiến DARPA của Bộ quốc phòng Mỹ đã thử nghiệm thành công mạng lượng tử kết nối giữa Đại học Harvard, Boston và một phòng thí nghiệm tư nhân.
Từ đó, ngày càng có nhiều nhóm nghiên cứu muốn tham gia vào lĩnh vực này. Một công ty tại Thụy Sĩ có tên là ID Quantique cũng đã lên kế hoạch phát triển một mạng lượng tử kết nối nhiều máy data center lớn ở Bắc Mỹ lại với nhau. Và tại Trung Quốc, một nhóm nghiên cứu khác cũng đang phát triển kết nối lượng tử dài 2000 km giữa Bắc Kinh và Thượng hải với mục tiêu không gì khác hơn là cố gắng gởi các photons vướng víu qua lại giữa 2 điểm này mà vẫn bảo toàn đặc tính vướng víu.
Và với thành công lần này của nhóm nghiên cứu tại Viện khoa học Trung Quốc, họ cho rằng nó sẽ mở đường cho một hệ thống mã hóa cực mạnh trong tương lai. Thí dụ như trong tình huống muốn trao đổi thông tin với bạn bè. Bạn đầu tiên sẽ mã hóa một khóa dựa vào đặc tính của một dòng photon và gởi khóa đó tới người nhận. Sau đó bạn sẽ mã hóa thông điệp của bạn bằng khóa đó và gởi tới người nhận. Ở đầu bên kia, họ sẽ dùng khóa bạn gởi trước đó để mở thông điệp và đọc được. Nếu có ai cố tình can thiệp vào quá tình này, các quy luật cơ chế lượng tử chi phối mã khóa sẽ thay đổi và từ đó, nó sẽ bị vô hiệu, thông điệp mãi mãi không bao giờ đọc được nữa. Tuy nhiên, với công nghệ hiện tại vẫn chưa đủ độ nhạy để đạt đượcx mục tiêu đó.
Dù vậy, nếu có được một vệ tinh chuyển tiếp tín hiệu lượng tử thành công thì sẽ mở đường cho một mạng lưới lượng tử toàn cầu. ID Quantique nhận định rằng nếu có một vệ tinh đủ tin cậy để chuyển tiếp photons vướng víu thì nó có thể kết nối các mạng lưới cáp truyền lượng tử dưới mặt đất, từ đó hình thành nên một mạng lưới toàn cầu. Được biết, Trung Quốc không phải là nước duy nhất quan tâm tới cách tiếp cận này. Một nhóm nghiên cứu hợp tác giữa Đại học Strathclyde, Anh Quốc và Đại học Quốc gia Singapore cũng đang phát triển một hệ thống vệ tinh tương tự với giá rẻ gọi là Cubesats. Một nhóm khác tới từ Canada cũng đang phát triển cách tạo ra các photons rối hạt dưới mặt đất và cũng gởi lên không gian.
