Lượng tử truyền tin, hiểu theo nghĩa đen, chính là ứng dụng của lượng tử học trong lĩnh vực truyền tin.

Đề tài này rất phức tạp, ngay cả khi chỉ nói riêng về lượng tử hay riêng về truyền tin, cũng phải mất cả một học kỳ. Vì vậy, chỉ có thể dùng những ví dụ không hoàn toàn chính xác để giải thích một cách đơn giản, bởi một lời giải thích chính xác đòi hỏi phải trình bày công khai các suy diễn toán học phức tạp. Hiện tại, tất cả những kiến thức phổ cập khoa học mà chúng ta thấy đều chỉ mang tính tương đối chính xác, chứ không thể coi là tiêu chuẩn tuyệt đối.

Lượng tử truyền tin, dựa trên việc truyền tải thông tin, được chia làm hai loại: kinh điển và lượng tử.

Loại thứ nhất dùng để truyền khóa lượng tử, và kiểu này vẫn chưa thoát khỏi phạm vi của cáp quang.

Loại thứ hai dùng để truyền trạng thái ẩn hình lượng tử và phân phối vướng víu lượng tử.

Truyền tải ẩn hình là mục tiêu cao nhất của lượng tử học. Nói đơn giản, đó là việc sao chép 100% một vật (thông tin) rồi truyền đến địa điểm tiếp nhận. Điều này có nghĩa là phải lựa chọn những thành phần cơ bản giống hệt vật gốc để tạo ra một bản sao hoàn hảo, hoàn toàn tương tự vật gốc. Tuy nhiên, điều này hoàn toàn không thể thực hiện được, bởi vì cơ học lượng tử có tính bất định, không cho phép sao chép thông tin một cách chính xác.

Đặc tính không thể sao chép hoàn toàn này thường được ví von là "Thượng đế *thực s��* gieo xúc xắc". Về điểm này, Thủy Tinh đã "thắng" Einstein, một bậc thầy tuyệt đối.

Nếu giải thích theo nguyên tắc lý thuyết, sẽ cần dùng đến bất đẳng thức Bell, nguyên lý bất định Heisenberg, và nhiều định luật khác.

Dựa trên đặc tính này, truyền tin lượng tử liền ra đời. Hiện tại, điểm nổi bật nhất là khả năng tăng cường đáng kể tính an toàn. Ngay cả việc truyền tải ẩn hình dựa trên vướng víu lượng tử cũng đang nằm trong kế hoạch!

Vậy tại sao truyền tin lượng tử lại an toàn đến vậy?

Để hiểu rõ, chúng ta cần bắt đầu từ những điều cơ bản. Vật chất được tạo thành từ các nguyên tử, và năng lượng ở cấp độ nguyên tử không biến đổi liên tục mà từng phần rời rạc. Phần nhỏ nhất của năng lượng đó chính là lượng tử.

Khi chúng ta sử dụng vệ tinh để truyền mã hóa, chúng ta phải phát ra các hạt photon phân cực, đại diện cho một bit 1 hoặc 0.

Bởi vì photon là sóng điện từ, vừa có tính chất sóng vừa có tính chất hạt, có thể chia nhỏ thành các photon. Đồng thời chúng lại rất không ổn định, có thể phân cực theo những hướng không xác định. Lúc này chúng ta cần phải quy định trước các góc phân cực, ví dụ, phân cực theo hướng 0 độ đại diện cho bit 0, phân cực theo hướng 90 độ đại diện cho bit 1.

Sau đó, thiết bị tiếp nhận cũng chỉ có thể cho phép các hạt photon phân cực ở góc 0 độ và 90 độ đi qua. Thậm chí thiết bị thu phải được cài đặt sẵn một góc cố định, chẳng hạn 45 độ, như vậy mới có thể thuận lợi nhận được bit chính xác. Các hạt photon phân cực ở góc độ khác đều bị loại bỏ.

Thế nhưng, nếu một photon không có góc cố định muốn đi qua khe bit 0 và khe bit 1 thì sao?

Vậy thì phải gieo xúc xắc chứ, đây chính là cái gọi là "Thượng đế gieo xúc xắc".

Cứ như vậy, khi photon do vệ tinh truyền tin phát ra và hướng đọc của thiết bị thu trùng khớp, chỉ khi đó bit nhận được mới là đúng. Có nghĩa là, góc đọc của thiết bị thu cũng là ngẫu nhiên. Mỗi lần đều phải xác định vấn đề góc đọc.

Nếu cả hai đều ngẫu nhiên, sẽ có rất nhiều bit truyền đi không thành công. Sau khi loại bỏ các bit không thành công, phần còn lại chính là khóa ngẫu nhiên được gửi đi trong lần này.

Bởi vì mỗi lần chỉ gửi đi một photon, nếu bị nghe trộm, điều đó có nghĩa là thông tin đã bị chặn và đọc trộm. Phía bên nhận chắc chắn sẽ biết, bởi vì như đã nói ở trên.

Trong lĩnh vực lượng tử, khái niệm sao chép hoàn toàn là không thể. Việc chặn lại rồi tái tạo một photon y hệt photon gốc để gửi đi là không thể. Đây chính là tác động của "Định lý không nhân bản lượng tử" và nguyên lý bất định Heisenberg, thực sự đạt được mã hóa dùng một lần cho một khóa duy nhất (one-time pad).

Với khả năng sinh ra ngẫu nhiên, không thể nghe trộm, không thể bị phá giải, truyền tin lượng tử hiển nhiên có độ an toàn cao. Hiện tại, phương pháp truyền bá khóa lượng tử phổ biến nhất được gọi là giao thức BB84.

Tính đến hiện tại, con người chưa thể dùng phân phối lượng tử để truyền tin, mà chỉ phân phối khóa mật mã! Chỉ phân phối khóa mật mã!

Phân phối khóa lượng tử không thể chủ động phòng chống nghe trộm, mà chỉ có thể bị động phát hiện xem có ai đang nghe trộm mình hay không.

Việc phát hiện nghe trộm vẫn dựa trên nguyên lý bất định Heisenberg và nguyên lý không nhân bản, đây chính là tình hình hiện tại của nhân loại.

Hiện tại, khóa lượng tử vẫn phụ thuộc vào phương thức truyền tin thông thường, không thể đạt tốc độ siêu quang. Loại vướng víu lượng tử siêu quang tốc đó vẫn chỉ là một ảo tưởng. Ngay cả việc không mở hộp mà vẫn biết mèo sống hay chết cũng còn chưa thực hiện được! Truyền tải ẩn hình lượng tử thì quá đỗi viển vông, ứng dụng vướng víu lượng tử một cách hoàn hảo e rằng không thể đạt được.

Hiện tại, việc thương mại hóa vẫn xoay quanh khóa lượng tử. Trong điều kiện phòng thí nghiệm, khoảng cách phân phối khóa lượng tử xa nhất đạt từ 260 đến 300 km. Việc thực hiện truyền thông lượng tử tầm xa phụ thuộc vào các trạm trung chuyển. Trạm trung chuyển được chia thành trung chuyển lượng tử và trung chuyển đáng tin cậy. Loại sau hiện đã được công nghiệp hóa, nguyên lý là A truyền thông tin cho B, B mới truyền cho C, nhưng khóa mật mã có thể rơi vào tay kẻ xấu trên đường truyền, tiềm ẩn nguy hiểm.

Trong khi đó, trung chuyển lượng tử lại không làm rơi khóa mật mã. Nó sử dụng kỹ thuật phân phối vướng víu lượng tử để thiết lập vướng víu chung giữa các trạm lân cận, kết hợp kỹ thuật lưu trữ lượng tử để lưu trữ các cặp vướng víu, và kỹ thuật truyền trong không gian tự do tầm xa để thực hiện chuyển đổi vướng víu lượng tử, với độ chính xác cực cao.

Hiện tại, khoảng cách thí nghiệm dài nhất cho nguyên lý truyền tải ẩn hình trạng thái lượng tử tốt nhất là 143 km, với điều kiện tiên quyết là môi trường tại quần đảo Canary của Tây Ban Nha rất lý tưởng. Thoạt nhìn, kết quả này tốt hơn nhiều so với việc truyền dẫn trong khí quyển ở Thủ đô của Hạ quốc (16 km) và tỉnh QH (97 km).

Thế nhưng, thí nghiệm lần này của Tây Ban Nha có vẻ đáng ngờ, nhìn thế nào cũng giống như một trò đùa dai nhằm phá kỷ lục của Hạ quốc.

Muốn đạt tới khoảng cách xa hơn, phải tránh sự nhiễu loạn của khí quyển đối với trạng thái lượng tử yếu ớt của photon. Vì vậy, phải dùng vệ tinh để phân phối photon. Vài ngàn km trong vũ trụ cũng chỉ tương đương khoảng 8 km trong khí quyển Trái Đất. Do đó, việc hướng tới vũ trụ là điều bắt buộc.

Thành tựu mạnh nhất của Hạ quốc hiện tại cũng chỉ là thực hiện được vướng víu sáu photon, vướng víu tám photon và siêu vướng víu mười bit. Dù trên mặt đất đã truyền được hàng trăm kilomet, nhưng tr��n lý thuyết, đó chỉ là khả năng truyền 1000 kilomet trong vũ trụ. Khoảng cách đến thương mại hóa còn rất xa.

Hệ thống đã cung cấp hướng dẫn, nhưng kỹ thuật chế tạo hiện tại vẫn còn nhiều thiếu sót, việc cải thiện cũng không thể một sớm một chiều mà hoàn thiện được.

Trần Tiêu không hề tham lam. Anh quyết định bắt đầu từ việc trung chuyển, biến trung chuyển đáng tin cậy thành trung chuyển lượng tử. Sau đó sẽ dần dần chuyển từ khóa lượng tử sang truyền tải ẩn hình trạng thái lượng tử. Mặc dù hoàn toàn không đạt được 100%, nhưng độ tin cậy của thứ này thực sự rất cao. Chỉ cần tiến gần đến vướng víu lượng tử hoàn hảo, nhiều vấn đề có thể được giải quyết gọn gẽ.

Ý tưởng thì không phải là không có. Chỉ cần chia thông tin vật gốc thành hai phần: thông tin cổ điển và thông tin lượng tử, và truyền tải từng phần qua kênh riêng biệt đến người nhận.

Sau khi nhận được có thể phục chế. Điều đáng chú ý là, thông tin cổ điển được người gửi thu thập bằng cách thực hiện một phép đo nào đó trên vật gốc, còn thông tin lượng tử là phần còn lại mà người gửi chưa thu được trong quá trình đo lường.

Do đó, trong quá trình truyền tải, chỉ có trạng thái lượng tử của vật gốc được truyền đi, chứ không phải bản thân vật gốc.

Người gửi thậm chí có thể hoàn toàn không biết gì về trạng thái lượng tử này, trong khi người nhận sẽ gán trạng thái lượng tử thuộc về vật gốc cho một hạt khác.

Trong phương án này, trạng thái vướng víu đóng vai trò cực kỳ quan trọng.

Trần Tiêu cũng không muốn một bước đạt tới việc truyền tải trực tiếp vật phẩm, mà chỉ muốn làm rõ thông tin, không cần đến mức hoàn hảo như vậy. Khi đó, độ khó hiển nhiên sẽ giảm đi đáng kể.

Đến lúc đó, việc truyền tin dựa trên vướng víu lượng tử mới thực sự là truyền tin lượng tử theo đúng nghĩa. Hiện tại, chỉ có thể gọi là phương tiện truyền tin mã hóa lượng tử, hoàn toàn không cùng một khái niệm.

Nếu hệ thống truyền tin lượng tử thực sự được xây dựng hoàn chỉnh, sẽ không còn phải lo lắng về vấn đề tín hiệu. Thiết bị mang chip truyền tin lượng tử, chỉ cần thông qua nguyên lý vướng víu lượng tử, quan sát trạng thái lượng tử ở một bên là có thể biết rõ thông tin đối phương đang truyền.

Thí nghiệm được giao cho Viện Khoa học Tự nhiên của Trường Thiên Khoa Kỹ chịu trách nhiệm thiết kế và chủ trì, trước đây viện này vẫn có một số kinh nghiệm liên quan.

Để đảm bảo an toàn, Trần Tiêu vẫn mời các chuyên gia hàng đầu liên quan từ Viện Khoa học Hạ quốc đến tham khảo, trong đó có Phan Vĩ và Lục Dương, hai nhà khoa học đỉnh cao.

Nói thật, đội ngũ của họ vô cùng mạnh mẽ, việc Hạ quốc dẫn đầu thế giới sau này chính là công lao của họ. Ban đầu khi được mời, trong lòng họ vẫn còn chút không coi trọng lắm, cảm thấy làm sao Trường Thiên Khoa Kỹ lại có thể có liên quan đến lĩnh vực này? Thế nhưng nghĩ kỹ lại, Trường Thiên Khoa Kỹ còn làm được cả việc kiểm soát phản ứng nhiệt hạch và sinh vật tự động tiến hóa, vậy thì chưa chắc là không thể, nên họ vẫn có chút kỳ vọng nhỏ.

Ngay từ đầu buổi tham khảo học thuật, Phan Vĩ và Lục Dương đã biết mình sai lầm rồi, bởi vì tiến triển của Trường Thiên Khoa Kỹ không kém gì Viện Khoa học Hạ quốc.

"Các cậu vậy mà cũng đột phá khoảng cách hai trăm km rồi sao?"

"Thiết bị tạo số ngẫu nhiên lượng tử đã đạt 20Gbps rồi ư? Điều này thậm chí đã vượt trội hơn chúng ta một chút ở điểm mấu chốt! Đáng tiếc vẫn chưa thể đạt được sự ngẫu nhiên chân chính."

"Các cậu cũng có nền tảng thí nghiệm chuyển động góc quỹ đạo và spin của 6 photon ư? Spin và chuyển động góc quỹ đạo đã có thể truyền đồng thời ư? Vướng víu siêu cấp 8 photon, 10 bit, các cậu cũng đã làm thí nghiệm rồi sao?"

"Các cậu cũng đang sử dụng kỹ thuật lưu trữ lượng tử nguyên tử lạnh để trao đổi lượng tử với chức năng lưu trữ và đọc tốt hơn sao! Cũng có thể đạt được chiều dài cáp quang 350 km rồi! Đây chính là bộ lặp lượng tử mà truyền tin lượng tử tầm xa đang cực kỳ cần đến, thế nhưng khoảng cách này vẫn còn quá ngắn."

Phan Vĩ và Lục Dương không còn chút khinh thị nào nữa. Trường Thiên Khoa Kỹ âm thầm nghiên cứu mà đã đạt đến bước này, chẳng lẽ Trường Thiên Khoa Kỹ không có bất kỳ ngõ cụt nghiên cứu khoa học nào sao? Bất kỳ lĩnh vực tiên phong nào họ cũng đều có liên quan và đạt được thành tựu rất cao.

Mấy năm trước, khi Trường Thiên Khoa Kỹ hoàn thành triển khai truyền tin 4G, họ đã tiến hành thí nghiệm kỹ thuật lượng tử. Chỉ là do chưa có ứng dụng cụ thể nên không tuyên truyền rộng rãi.

"Các cậu công bố thẳng thắn như vậy, chúng tôi thực sự rất cảm động. Nói thật, bên chúng tôi đã không còn thành quả nào đáng kể để trình ra nữa, thật đáng xấu hổ!"

Phan Vĩ nói thật lòng, không bằng người thì chính là không bằng người.

Người phụ trách dự án lượng tử của Trường Thiên Khoa Kỹ là Quách Sắc.

Người này có tuổi đời xấp xỉ Phan Vĩ, đều là những người tài năng xuất chúng khi còn trẻ. Anh ta rất khiêm tốn nói: "Phan viện sĩ quá khen rồi. Các vị có khả năng công bố thành quả như vậy, chứng tỏ còn rất nhiều điều chưa tiện nói ra."

"Những thứ đó đều là suy đoán, chúng tôi vẫn đang trong quá trình thí nghiệm, vẫn chưa thành công..."

"Ngài ngàn vạn lần đừng quá khiêm tốn. Đến bước này, phỏng đoán thường có giá trị hơn cả thành tựu thực tế. Biết đâu một phỏng đoán được chứng thực, thì tất cả những thành quả hiện tại đều trở nên không đáng nhắc đến. Chúng tôi mời chư vị đến đây chính là muốn trình bày ý tưởng của mình, cùng mọi người tham khảo, hỗ trợ lẫn nhau, sớm hơn đạt được đột phá về lý thuyết." Quách Sắc khoát khoát tay.

"Vậy cũng tốt, các cậu có ý tưởng gì, chúng tôi cũng muốn được xem thử." Lục Dương nói thẳng thắn, ông ấy là người chỉ quan tâm đến nghiên cứu, không mấy chú trọng đến cách đối nhân xử thế.

...

Quách Sắc sửng sốt một chút, lập tức đem ý tưởng nghiên cứu đã được phát ra. Nếu Phan Vĩ và Lục Dương đều xem không hiểu, thì trên hành tinh này cũng chẳng còn ai đọc được nữa.

Quách Sắc, khi cầm tài liệu Trần Tiêu đưa, cả người anh ta đều bối rối. Những điều này bản thân anh ta cũng chỉ hiểu một phần, vậy ông chủ lấy từ đâu ra vậy?

Nếu bản thân mình còn không hoàn toàn rõ ràng, thì làm sao có thể chuyển hóa thành nh��ng thành quả đổi mới đây?

Cho nên, anh ta đầy mong đợi vào sự có mặt của Phan Vĩ và Lục Dương, giống như một người làm bài mà không có đáp án chắc chắn, vừa hay có hai người tài năng tương đương đến, ít nhiều cũng phải đưa cho họ xem qua.

Sau một hồi lâu, Phan Vĩ và Lục Dương cau mày, nửa ngày không nói một câu nào.

"Thế nào rồi ạ? Ngài nói đi. Nguyên lý tưởng tượng và phương án thí nghiệm không có vấn đề gì chứ?" Quách Sắc thấp thỏm không ngừng.

"Tôi không hoàn toàn xem hiểu." Viện sĩ Lục Dương trả lời rất thức thời.

Viện sĩ Phan Vĩ cũng lắc đầu: "Tôi cảm thấy như lạc vào sương mù. Luôn có cảm giác thiết kế thí nghiệm không thành vấn đề, nếu là tôi, tôi cũng sẽ thiết kế như vậy. Vấn đề mấu chốt nhất là, nguyên lý và ý tưởng này đến từ đâu? Độ khó khá lớn đấy chứ, nhưng lại có vẻ rất hợp lý."

Nghe đến đó, Quách Sắc lòng nhẹ nhõm hẳn. Hóa ra không phải chỉ mình anh ta không chắc chắn, mà là tất cả mọi người đều không chắc chắn! Nếu đều không nắm rõ, vậy thì còn sợ gì khi tiến hành thí nghiệm? Ai cũng không có câu trả lời chuẩn xác, vậy thì tự mình tìm câu trả lời thôi.

"Nguyên lý và ý tưởng này là trong lúc tình cờ nghĩ đến, nó đến từ trực giác, cho nên mới muốn tìm hai vị viện sĩ đến tham khảo." Quách Sắc không nói là tài liệu do Trần Tiêu đưa, vì nguồn gốc của những thứ này về cơ bản đều cần được bảo mật, Trần Tiêu không muốn quá thu hút sự chú ý.

"Cứ thử đi đã, dù sao chúng ta cũng chẳng có ý tưởng gì hơn." Lục Dương rất thẳng thắn. Nghiên cứu đạt đến trình độ dẫn đầu có nghĩa là phải tự mình xây dựng con đường mới, không có người đi trước để học hỏi.

Phan Vĩ cũng có ý đó. Mặc dù lĩnh vực nghiên cứu chi tiết của hai người có khác biệt, thế nhưng cơ sở đều là ứng dụng lượng tử. Nếu Lục Dương gặp vấn đề, ông ấy tự nhiên cũng sẽ gặp vấn đề tương tự.

Thí nghiệm rất nhanh được tiến hành, thực sự là tranh giành từng giây từng phút, chỉ mong sao sớm đạt được kết quả.

Ý tưởng thí nghiệm cụ thể của Trường Thiên Khoa Kỹ là sử dụng laser siêu cường làm nguồn sáng. Ưu điểm l�� nó ổn định hơn so với các nguồn sáng yếu khác, trạng thái lượng tử không dễ dàng thay đổi.

Khuyết điểm là khi laser bắn ra, các photon không phải tách rời từng hạt một. Do đó cần giải quyết vấn đề photon mang thông tin.

Truyền tin lượng tử an toàn là vì mỗi photon tương đương với một bit mã hóa. Nếu một chùm photon mà tất cả đều mang thông tin, trên lý thuyết rất dễ bị chặn lại và giải mã.

Cứ như vậy, thì phải đảm bảo một photon đủ mạnh mẽ. Trường Thiên Khoa Kỹ phải làm là bắt lấy photon đặc định, còn các photon khác trong chùm ánh sáng, giống như nhiên liệu khi phóng tên lửa, có tác dụng đẩy.

Mã hóa bằng cách bắt lấy photon đặc định trong một bó sáng. Sau khi thiết bị thu nhận được laser, sẽ cho chùm ánh sáng đi qua giao thoa nhiều khe, tách các photon ra, sau đó thông qua thiết bị phân cực, thu lấy photon đặc định. Quá trình này phức tạp, thế nhưng tất cả đều được thực hiện ở tốc độ ánh sáng, độ khó có thể hình dung được.

"Khí phát sinh trạng thái lượng tử ổn định, duy trì cường độ tăng cường, khởi động thiết b��� cung cấp điện siêu cao áp, đảm bảo laser đủ mạnh mẽ!"

"Kênh lượng tử đang trong quá trình xây dựng, đã tương đối ổn định, chỉ là khoảng cách quá ngắn."

"Nói nhảm! Nếu khoảng cách không ngắn, chúng ta đã sớm thực hiện truyền tin lượng tử rồi!"

"Thiết bị dò lượng tử đâu? Đã khởi động chưa?"

"Khởi động rồi!"

"Thiết bị ghi nhận thông tin photon đặc định đâu? Cái này chính là mã hóa đấy!"

"Khởi động rồi!"

"Vậy thì bắt đầu thôi!"

Mọi người vô cùng khẩn trương. Dù đã làm rất nhiều lần thí nghiệm, thử nghiệm nhiều tần số và góc phân cực, nhưng không ai dám hy vọng thành công ngay trong một lần.

Bản dịch này thuộc về truyen.free, nơi tri thức và trí tưởng tượng hòa quyện không ngừng.