Đã có thí nghiệm chứng minh gởi thông tin lượng tử nhanh hơn cách truyền thống

khoa học Pháp đã lần đầu tiên biểu diễn một thí nghiệm chứng minh rằng giao tiếp lượng tử thật sự có những điểm ưu việt so với các biện pháp truyền thông tin truyền thống.

Các hệ vật thể lượng tử có thể tồn tại tại nhiều trạng thái khác nhau cùng một lúc và được gọi là trạng thái chồng chập lẫn nhau. Ý tưởng máy tính lượng tử được đề xuất lần đầu tiên vào năm 1980 bởi nhà toán học người Đức gốc Nga Yuri Manin bằng cách sử dụng các hiệu ứng chồng chập và vướng víu lượng tử để thực hiện các tính toán trên dữ liệu đưa vào.

Khác với máy tính kỹ thuật số dựa trên tranzitor đòi hỏi cần phải mã hóa dữ liệu thành các chữ số nhị phân, mỗi số được gán cho 1 trong 2 trạng thái nhất định là 0 hoặc 1, tính toán lượng tử sử dụng các bit lượng tử ở trong trạng thái chồng chập để tính toán. Điều này có nghĩa là 1 bit lượng tử (đơn vị cơ bản của thông tin trong điện toán, viết tắt là qubit) có thể có giá trị 0 và 1 ở cùng 1 thời điểm.

Bấm để mở rộng...

​

Sơ một chút, một cỗ máy lượng tử hoạt động dựa trên các tính chất lượng tử của vật chất để mã hóa thông tin và từ lâu, nó được kỳ vọng sẽ là công cụ giao tiếp thông tin của tương lai. Tuy nhiên, tốc độ phát triển của nó là khá chậm do có quá nhiều trở ngại cả về lý thuyết lẫn thực tiễn. Các kỹ sư thì đang ngày đêm phát triển những cỗ máy tính lượng tử trong phòng thí nghiệm, còn các nhà khoa học máy tính thì chật vật với một vấn đề khác cực kỳ cơ bản nhưng cũng rất quan trọng: họ chưa thể chứng minh được có điều gì mà chỉ có máy tính lượng tử làm được mà máy tính truyền thống không làm được.

Thậm chí gần đây, một người còn chứng minh điều ngược lại: giải quyết một vấn đề nổi tiếng bằng máy tính truyền thống với tốc độ cực kỳ nhanh, trong khi xưa giờ người ta nghĩ rằng điều đó chỉ có thể thực hiện bằng máy tính lượng tử.

Tuy nhiên, ở mảng thông tin liên lạc và truyền thông tin thì các lợi ích của lượng tử là có thể chứng minh được. Từ cách đây hơn 1 thập kỷ, các nhà khoa học máy tính đã chứng minh được rằng ít ra trên mặt lý thuyết, giao tiếp lượng tử hpafn toàn vượt trội hơn so với các biện pháp cổ điển trong việc gởi các thông tin đối với một số tác vụ nhất định. Nhà khoa học máy tính Iordanis Kerenidis, một thành viên của nhóm nghiên cứu lần này tại Paris cho rằng người ta cứ mãi nghĩ tới khả năng tính toán mà lại quên mất một lợi thể lớn nhất của lượng tử chính là các tác vụ giao tiếp vốn đã được chứng minh.



Hồi năm 2004, Kerenidis và 2 đồng nghiệp khác đã nghĩ ra một kịch bản, trong đó một người cần gởi thông tin tới một người khác để người bên nhận có thể trả lời được một câu hỏi cụ thể. Khi đó các nhà nghiên cứu đã chứng minh được rằng thiết lập lượng tử có thể hoàn thành nhiệm vụ bằng cách truyền thông tin với số lượng ít hơn tính bằng cấp số nhân so với hệ thống cổ điển. Tuy nhiên, lúc đó các thiết lập lượng tử này chỉ là tính toán lý thuyết chứ chưa có công nghệ đáp ứng để thực hiện được trong thực tiễn.

Tuy nhiên sau gần 15 năm thì điều đó đã được chứng minh và kịch bản ban đầu cũng được viết lại theo hướng mới phức tạp hơn. Cụ thể sẽ có 2 người dùng là Alice và Bob, Alice có một bộ những trái bóng được đánh số, màu của mỗi quả là ngẫu nhiên đỏ hoặc xanh. Bob muốn biết rằng liệu một cặp bóng cụ thể được chọn ngẫu nhiên có cùng hay khác màu. Alice muốn gởi cho Bob lượng thông tin nhỏ nhất nhưng vẫn đảm bảo rằng Bob có thể trả lời được thắc mắc.

Vấn đề này được gọi là "khớp mẫu", được áp dụng cho việc mã hóa lẫn cả tiền kỹ thuật số, trong đó người dùng có nhu cầu trao đổi thông tin nhưng không tiết lộ mọi thứ họ biết. Và đây cũng chính là một thí dụ để chứng minh tính ưu việt của lượng tử. Nói cách khác, các giao thức lượng tử không được dùng để mã hóa và giải mã các file film 4K hoặc hàng chục TB dữ liệu mà thay vào đó, nó có những công việc cụ thể cao cấp và tinh tế hơn.

Theo các cách cổ điển, để giải quyết vấn đề của Alice và Bob thì Alice phải gởi cho Bob một lượng thông tin tỷ lệ với căn bậc 2 của số lượng bóng. Tuy nhiên lượng tư sẽ tiếp cận ở một góc độ hoàn toàn khác bằng những lợi thế của nó. Trong phòng thí nghiệm, các nhà khoa học đã cho Alice và Bob giao tiếp với nhau thông qua các xung laser. Xung laser sẽ được bắn tới một bộ chia tia và một xung đi về phía Alice, một xung đi về phía Bob. Khi một xung được chuyển tới Alice, Alice sẽ chuyển pha của xung này để mã hóa thông tin về từng quả bóng là đỏ hay xanh.

​

Trong khi đó, Bob sẽ mã hóa thông tin về các cặp bóng mà Bob muốn biết thông tin vào trong các xung laser. Các xung này sau đó được hội tụ tại một bộ chia tia khác và giao thoa với nhau. Cách 2 cặp xung giao thoa với nhau sẽ phản ánh sự khác nhau trong cách dịch chuyển pha của mỗi xung. Bob sẽ đọc thông tin về sự giao thoa này bằng một máy dò photon được bố trí gần đó. Bằng cách này, Bob có thể trả lời được thắc mắc của bất cứ cặp bóng nào với thông tin nhận được từ Alice. Và dưới góc độ lượng tử, một khi đọc thông điệp, Bob đã hủy nó và thu về được thông tin về 1 cặp bóng duy nhất.

Thí nghiệm trên đây của các nhà nghiên cứu đã chứng minh được một cách cụ thể nhất khả năng ưu việt của mạng lượng tử so với các cách truyền thống khác. Các nhà nghiên xác định chính xác có bao nhiêu thông tin cần được truyền đi theo cách cổ điển để giải quyết vấn đề. Sau đó họ chứng minh một cách không thể chối cãi rằng nó có thể giải quyết một cách đơn giản hơn bằng mạng lượng tử. Bằng cách này, không chỉ các nhà nghiên cứu có thể củng cố thêm niềm tin về một mạng lượng tử nói riêng mà cả giấc mơ lượng tử nói chung.

Nó cho thấy rằng có thể dưới cả góc độ giao tiếp lẫn tính toán, có thể lượng tử có được lợi thế siêu việt ở những tình huống cụ thể vượt quá những định kiến thông thường của chúng ta. Và chúng ta sẽ lại tiếp tục mơ về một hệ thống hợp nhất tốc độ truyền tải thông tin, tốc độ tính toán và cả sự bảo mật,… của thế giới lượng tử. Kỳ thực đó có thể là tương lai, nhưng là một tương lai đang ngày càng gần hơn bao giờ hết.

Tham khảo Quanta​