Một vệ tinh của Trung Quốc có cặp chia của "photon vướng" và truyền chúng tới trạm mặt đất riêng biệt 745 dặm (1.200 km) ngoài, đập vỡ kỷ lục khoảng cách trước đó cho một kỳ công như vậy và mở những khả năng mới trong giao tiếp lượng tử.
Trong vật lý lượng tử, khi các hạt tương tác với nhau theo những cách nhất định, chúng trở nên "vướng víu". Điều này về cơ bản có nghĩa là chúng vẫn được kết nối ngay cả khi cách nhau bởi khoảng cách lớn, do đó một hành động được thực hiện trên một ảnh hưởng đến nhau.
Trong một nghiên cứu mới được công bố trực tuyến ngày hôm nay (15 tháng 6) trên tạp chí Science, các nhà nghiên cứu báo cáo phân phối thành công các cặp photon vướng vào hai địa điểm trên Trái đất cách nhau 747,5 dặm (1.203 km).
Các nhà khoa học cho biết, vướng víu lượng tử có các ứng dụng thú vị để thử nghiệm các định luật cơ bản của vật lý, nhưng cũng để tạo ra các hệ thống truyền thông đặc biệt an toàn, các nhà khoa học cho biết. Đó là bởi vì cơ học lượng tử nói rằng việc đo một hệ lượng tử chắc chắn làm xáo trộn nó, vì vậy mọi nỗ lực nghe lén là không thể che giấu.
Nhưng, thật khó để phân phối các hạt vướng víu - thường là photon - trên khoảng cách lớn. Khi đi qua không khí hoặc qua cáp quang, môi trường sẽ can thiệp vào các hạt, do đó với khoảng cách lớn hơn, tín hiệu bị phân rã và trở nên quá yếu sẽ không hữu ích.
Năm 2003, Pan Jianwei, giáo sư vật lý lượng tử tại Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc, bắt đầu làm việc trên một hệ thống dựa trên vệ tinh được thiết kế để chiếu các cặp photon vướng víu xuống các trạm mặt đất. Ý tưởng là bởi vì phần lớn hành trình của hạt sẽ xuyên qua khoảng trống của không gian, hệ thống này sẽ giới thiệu sự can thiệp môi trường ít hơn đáng kể.
"Nhiều người sau đó nghĩ rằng đó là một ý tưởng điên rồ, bởi vì nó rất khó thực hiện các thí nghiệm quang học lượng tử tinh vi bên trong một bảng quang học được bảo vệ tốt," Pan nói với Live Science. "Vậy làm thế nào bạn có thể thực hiện các thí nghiệm tương tự ở quy mô khoảng cách hàng ngàn km và với các phần tử quang rung và di chuyển với tốc độ 8 km mỗi giây?"
Trong nghiên cứu mới, các nhà nghiên cứu đã sử dụng vệ tinh Micius của Trung Quốc, được phóng vào năm ngoái, để truyền các cặp photon vướng víu. Vệ tinh có nguồn photon vướng víu cực nhanh và hệ thống thu nhận, trỏ và theo dõi (APT) có độ chính xác cao sử dụng laser beacon trên vệ tinh và tại ba trạm mặt đất để sắp xếp máy phát và máy thu.
Khi các photon đạt các trạm mặt đất, các nhà khoa học tiến hành kiểm tra và xác nhận rằng các hạt vẫn còn vướng mặc dù đã đi lại giữa 994 dặm và 1.490 dặm (1.600 và 2.400 km), tùy thuộc vào giai đoạn nào của quỹ đạo của nó các vệ tinh đã được đặt ở.
Chỉ có 6 dặm thấp nhất (10 km) của bầu khí quyển của Trái đất đủ dày để gây nhiễu đáng kể với các photon, các nhà khoa học cho biết. Điều này có nghĩa là hiệu quả tổng thể của liên kết của họ cao hơn rất nhiều so với các phương pháp trước đây để phân phối các photon vướng víu thông qua cáp quang, theo các nhà khoa học.
"Chúng tôi đã đạt được hiệu quả phân phối vướng víu hai photon hiệu quả hơn hàng nghìn tỷ lần so với sử dụng các sợi viễn thông tốt nhất", Pan nói. "Chúng tôi đã làm một điều hoàn toàn không thể nếu không có vệ tinh."
Ngoài việc thực hiện các thí nghiệm, một trong những ứng dụng tiềm năng cho loại hệ thống này là "phân phối khóa lượng tử", trong đó hệ thống truyền thông lượng tử được sử dụng để chia sẻ khóa mã hóa giữa hai bên không thể chặn mà không báo cho người dùng. Khi kết hợp với thuật toán mã hóa chính xác, hệ thống này không thể bị bẻ khóa ngay cả khi tin nhắn được mã hóa được gửi qua các kênh liên lạc thông thường, các chuyên gia cho biết.
Artur Ekert, giáo sư vật lý lượng tử tại Đại học Oxford, Vương quốc Anh, là người đầu tiên mô tả cách các photon vướng víu có thể được sử dụng để truyền khóa mã hóa.
"Thí nghiệm Trung Quốc là một thành tựu công nghệ đáng chú ý," Ekert nói với Live Science. "Khi tôi đề xuất phân phối khóa lượng tử dựa trên vướng mắc vào năm 1991 khi tôi còn là sinh viên ở Oxford, tôi không ngờ nó sẽ được nâng lên tầm cao như vậy!"
Tuy nhiên, vệ tinh hiện tại chưa hoàn toàn sẵn sàng để sử dụng trong các hệ thống truyền thông lượng tử thực tế, theo Pan. Đối với một, quỹ đạo tương đối thấp của nó có nghĩa là mỗi trạm mặt đất có phạm vi bảo hiểm chỉ khoảng 5 phút mỗi ngày và bước sóng của các photon được sử dụng có nghĩa là nó chỉ có thể hoạt động vào ban đêm, ông nói.
Tăng thời gian và vùng phủ sóng sẽ đồng nghĩa với việc phóng các vệ tinh mới có quỹ đạo cao hơn, Pan nói, nhưng điều này sẽ đòi hỏi các kính thiên văn lớn hơn, theo dõi chính xác hơn và hiệu quả liên kết cao hơn. Hoạt động ban ngày sẽ yêu cầu sử dụng các photon trong bước sóng viễn thông, ông nói thêm.
Nhưng trong khi phát triển mạng lưới truyền thông lượng tử trong tương lai sẽ đòi hỏi nhiều công sức, Thomas Jennewein, phó giáo sư tại Viện Điện toán Lượng tử của Đại học Waterloo ở Canada, cho biết nhóm của Pan đã chứng minh một trong những khối xây dựng chính.
"Tôi đã làm việc trong dòng nghiên cứu này từ năm 2000 và nghiên cứu về việc triển khai các thí nghiệm vướng víu lượng tử tương tự từ không gian, và do đó tôi có thể chứng thực rất nhiều về sự táo bạo, cống hiến và kỹ năng mà nhóm Trung Quốc này đã thể hiện", ông nói với Live Science .
