Định nghĩa

Internet lượng tử là một mạng cho phép các thiết bị lượng tử trao đổi một số thông tin trong một môi trường khai thác các định luật kỳ lạ của cơ học lượng tử. Về lý thuyết, điều này sẽ mang lại cho internet lượng tử những khả năng chưa từng có mà không thể thực hiện được với các ứng dụng web ngày nay.

Trong thế giới lượng tử, dữ liệu có thể được mã hóa ở trạng thái qubit, có thể được tạo ra trong các thiết bị lượng tử như máy tính lượng tử hoặc bộ xử lý lượng tử. Và internet lượng tử, nói một cách đơn giản, sẽ liên quan đến việc gửi các qubit qua một mạng lưới gồm nhiều thiết bị lượng tử được tách biệt về mặt vật lý. Điều quan trọng là tất cả những điều này sẽ xảy ra nhờ vào các thuộc tính kỳ quặc chỉ có ở các trạng thái lượng tử.

Điều đó nghe có vẻ tương tự như internet tiêu chuẩn. Nhưng gửi các qubit xung quanh thông qua một kênh lượng tử, thay vì một kênh cổ điển, có nghĩa là tận dụng hành vi của các hạt khi được thực hiện ở quy mô nhỏ nhất của chúng - cái gọi là "trạng thái lượng tử", đã gây ra sự thích thú và thất vọng cho các nhà khoa học trong nhiều thập kỷ.

Và các định luật vật lý lượng tử, làm nền tảng cho cách thông tin sẽ được truyền tải trong internet lượng tử, không có gì xa lạ. Trên thực tế, chúng kỳ lạ, phản trực giác và đôi khi thậm chí có vẻ siêu nhiên.

Và vì vậy, để hiểu cách thức hoạt động của hệ sinh thái lượng tử của internet 2.0, bạn có thể muốn quên mọi thứ bạn biết về điện toán cổ điển. Bởi vì không có nhiều internet lượng tử sẽ nhắc nhở bạn về trình duyệt web yêu thích của bạn.

CHÚNG TA CÓ THỂ TRAO ĐỔI LOẠI THÔNG TIN NÀO VỚI LƯỢNG TỬ?

Tóm lại, không nhiều điều mà hầu hết người dùng đã quen thuộc. Do đó, ít nhất là trong vài thập kỷ tới, bạn không nên mong đợi một ngày nào đó có thể tham gia vào các cuộc họp Zoom lượng tử.

Trọng tâm của giao tiếp lượng tử là thực tế là các qubit, khai thác các định luật cơ bản của cơ học lượng tử, hoạt động rất khác với các bit cổ điển.

Khi nó mã hóa dữ liệu, một bit cổ điển chỉ có thể là một trong hai trạng thái. Cũng giống như công tắc đèn phải bật hoặc tắt, và giống như một con mèo phải chết hoặc sống, một chút cũng phải là 0 hoặc 1.

Không quá nhiều với qubit. Thay vào đó, các qubit được chồng lên nhau: chúng có thể là 0 và 1 đồng thời, trong một trạng thái lượng tử đặc biệt không tồn tại trong thế giới cổ điển. Nó hơi giống như thể bạn có thể ở cả bên trái và bên phải của ghế sofa, trong cùng một thời điểm. 

Nghịch lý là hành động đo lường qubit đơn thuần có nghĩa là nó được gán một trạng thái. Một qubit đo được sẽ tự động rơi khỏi trạng thái kép của nó và bị giảm xuống 0 hoặc 1, giống như một bit cổ điển.

Toàn bộ hiện tượng được gọi là chồng chất, và nằm ở cốt lõi của cơ học lượng tử.

Không có gì ngạc nhiên khi qubit không thể được sử dụng để gửi loại dữ liệu mà chúng ta quen thuộc, như email và tin nhắn WhatsApp. Nhưng hành vi kỳ lạ của qubit đang mở ra cơ hội lớn trong các ứng dụng khác, thích hợp hơn.

TRUYỀN THÔNG LƯỢNG TỬ (AN TOÀN HƠN)

Một trong những con đường thú vị nhất mà các nhà nghiên cứu, được trang bị qubit, đang khám phá, là bảo mật.

Khi nói đến giao tiếp cổ điển, hầu hết dữ liệu được bảo mật bằng cách phân phối khóa chia sẻ cho người gửi và người nhận, sau đó sử dụng khóa chung này để mã hóa tin nhắn. Sau đó, người nhận có thể sử dụng khóa của họ để giải mã dữ liệu ở đầu của họ.

Tính bảo mật của hầu hết các giao tiếp cổ điển ngày nay đều dựa trên một thuật toán tạo ra các khóa mà tin tặc khó phá vỡ, nhưng không phải là không thể. Đó là lý do tại sao các nhà nghiên cứu đang xem xét việc biến quá trình giao tiếp này thành "lượng tử". Khái niệm này là cốt lõi của một lĩnh vực an ninh mạng mới nổi được gọi là phân phối khóa lượng tử (QKD).

QKD hoạt động bằng cách yêu cầu một trong hai bên mã hóa một phần dữ liệu cổ điển bằng cách mã hóa khóa mật mã vào các qubit. Sau đó, người gửi truyền các qubit đó cho người khác, người đo lường các qubit để có được các giá trị chính.

Đo lường làm cho trạng thái của qubit sụp đổ; Nhưng giá trị được đọc ra trong quá trình đo mới là điều quan trọng. Theo một cách nào đó, qubit chỉ ở đó để vận chuyển giá trị khóa.

Quan trọng hơn, QKD có nghĩa là dễ dàng tìm ra liệu bên thứ ba có nghe lén các qubit trong quá trình truyền hay không, vì kẻ xâm nhập sẽ khiến khóa bị sập chỉ bằng cách nhìn vào nó.

Nếu tin tặc nhìn vào các qubit tại bất kỳ thời điểm nào trong khi chúng được gửi, điều này sẽ tự động thay đổi trạng thái của các qubit. Một gián điệp chắc chắn sẽ để lại dấu hiệu nghe lén - đó là lý do tại sao các nhà mật mã học cho rằng QKD "có thể chứng minh" an toàn.

VẬY, TẠI SAO LẠI LÀ INTERNET LƯỢNG TỬ?

Công nghệ QKD đang ở giai đoạn rất sớm. Cách "thông thường" để tạo QKD vào lúc này bao gồm gửi các qubit theo cách một chiều đến máy thu, thông qua cáp quang; Nhưng những điều đó hạn chế đáng kể hiệu quả của giao thức.

Qubit có thể dễ dàng bị mất hoặc phân tán trong cáp quang, có nghĩa là tín hiệu lượng tử rất dễ bị lỗi và gặp khó khăn khi di chuyển khoảng cách xa. Trên thực tế, các thí nghiệm hiện tại bị giới hạn trong phạm vi hàng trăm km.

Có một giải pháp khác, và đó là giải pháp làm nền tảng cho internet lượng tử: tận dụng một thuộc tính khác của lượng tử, được gọi là vướng víu, để giao tiếp giữa hai thiết bị.

Khi hai qubit tương tác và vướng víu, chúng chia sẻ các thuộc tính cụ thể phụ thuộc vào nhau. Trong khi các qubit ở trạng thái vướng víu, bất kỳ thay đổi nào đối với một hạt trong cặp sẽ dẫn đến những thay đổi đối với hạt kia, ngay cả khi chúng được tách ra về mặt vật lý.

Do đó, trạng thái của qubit đầu tiên có thể được "đọc" bằng cách xem xét hành vi của đối tác vướng víu của nó. Đúng vậy: ngay cả Albert Einstein cũng gọi toàn bộ sự việc là "hành động ma quái từ xa".

Và trong bối cảnh giao tiếp lượng tử, sự vướng víu có thể trên thực tế, dịch chuyển một số thông tin từ một qubit sang nửa kia vướng víu của nó, mà không cần một kênh vật lý bắc cầu cả hai trong quá trình truyền.

ENTANGLEMENT HOẠT ĐỘNG NHƯ THẾ NÀO?

Theo định nghĩa, khái niệm dịch chuyển tức thời đòi hỏi sự thiếu vắng một mạng vật lý bắc cầu giữa các thiết bị giao tiếp. Nhưng vẫn là sự vướng mắc cần được tạo ra ngay từ đầu, và sau đó được duy trì.

Để thực hiện QKD bằng cách sử dụng entanglement, cần phải xây dựng cơ sở hạ tầng thích hợp để trước tiên tạo ra các cặp qubit vướng víu, sau đó phân phối chúng giữa người gửi và người nhận. Điều này tạo ra kênh "dịch chuyển tức thời" mà các khóa mật mã có thể được trao đổi.

Cụ thể, khi các qubit vướng víu đã được tạo, bạn phải gửi một nửa của cặp đến người nhận khóa. Ví dụ, một qubit vướng víu có thể di chuyển qua các mạng cáp quang; Nhưng chúng không thể duy trì vướng víu sau khoảng 60 dặm.

Các qubit cũng có thể được giữ vướng víu trên khoảng cách lớn thông qua vệ tinh, nhưng việc bao phủ hành tinh bằng các thiết bị lượng tử ngoài không gian rất tốn kém.

Do đó, vẫn còn những thách thức kỹ thuật lớn để xây dựng "mạng dịch chuyển tức thời" quy mô lớn có thể liên kết hiệu quả các qubit trên toàn thế giới. Một khi mạng lưới vướng víu đã được thiết lập, điều kỳ diệu có thể bắt đầu: các qubit được liên kết sẽ không cần phải chạy qua bất kỳ hình thức cơ sở hạ tầng vật lý nào nữa để truyền tải thông điệp của chúng.

Do đó, trong quá trình truyền, khóa lượng tử hầu như không thể nhìn thấy đối với bên thứ ba, không thể chặn và được "dịch chuyển" một cách đáng tin cậy từ điểm cuối này sang điểm cuối tiếp theo. Ý tưởng này sẽ gây được tiếng vang tốt với các ngành công nghiệp xử lý dữ liệu nhạy cảm, chẳng hạn như ngân hàng, dịch vụ y tế hoặc thông tin liên lạc trên máy bay. Và có khả năng các chính phủ ngồi trên thông tin tuyệt mật cũng sẽ là những người sớm áp dụng công nghệ này.

CHÚNG TA CÓ THỂ LÀM GÌ KHÁC VỚI INTERNET LƯỢNG TỬ?

'Tại sao phải bận tâm đến sự vướng víu?' bạn có thể hỏi. Rốt cuộc, các nhà nghiên cứu có thể chỉ cần tìm cách cải thiện dạng "thông thường" của QKD. Ví dụ, các bộ lặp lượng tử có thể đi một chặng đường dài trong việc tăng khoảng cách liên lạc trong cáp quang mà không cần phải đi xa đến mức vướng vào các qubit.

Đó là chưa tính đến tiềm năng to lớn mà vướng mắc có thể có đối với các ứng dụng khác. QKD là ví dụ được thảo luận thường xuyên nhất về những gì internet lượng tử có thể đạt được, bởi vì nó là ứng dụng dễ tiếp cận nhất của công nghệ. Nhưng bảo mật không phải là lĩnh vực duy nhất gây ra sự phấn khích cho các nhà nghiên cứu.

Ví dụ, mạng lưới vướng víu được sử dụng cho QKD cũng có thể được sử dụng để cung cấp một cách đáng tin cậy để xây dựng các cụm lượng tử được tạo thành từ các qubit vướng víu nằm trong các thiết bị lượng tử khác nhau.

Các nhà nghiên cứu sẽ không cần một phần cứng lượng tử đặc biệt mạnh mẽ để kết nối với internet lượng tử - trên thực tế, ngay cả một bộ xử lý qubit đơn cũng có thể thực hiện công việc này. Nhưng bằng cách liên kết các thiết bị lượng tử với nhau, như hiện tại, có khả năng hạn chế, các nhà khoa học hy vọng rằng họ có thể tạo ra một siêu máy tính lượng tử để vượt qua tất cả.

Do đó, bằng cách kết nối nhiều thiết bị lượng tử nhỏ hơn với nhau, internet lượng tử có thể bắt đầu giải quyết các vấn đề hiện không thể đạt được trong một máy tính lượng tử duy nhất. Điều này bao gồm đẩy nhanh việc trao đổi một lượng lớn dữ liệu và thực hiện các thí nghiệm cảm biến quy mô lớn trong thiên văn học, khám phá vật liệu và khoa học đời sống.

Vì lý do này, các nhà khoa học tin rằng chúng ta có thể gặt hái những lợi ích của internet lượng tử trước khi những gã khổng lồ công nghệ như Google và IBM thậm chí đạt được ưu thế lượng tử - thời điểm mà một máy tính lượng tử duy nhất sẽ giải quyết một vấn đề khó giải quyết đối với một máy tính cổ điển.

Các máy tính lượng tử tiên tiến nhất của Google và IBM hiện có khoảng 50 qubit, ít hơn nhiều so với mức cần thiết để thực hiện các tính toán phi thường cần thiết để giải quyết các vấn đề mà nghiên cứu lượng tử hy vọng sẽ giải quyết.

Mặt khác, việc liên kết các thiết bị như vậy với nhau thông qua vướng víu lượng tử có thể dẫn đến các cụm trị giá vài nghìn qubit. Đối với nhiều nhà khoa học, tạo ra sức mạnh tính toán như vậy trên thực tế là mục tiêu cuối cùng của dự án internet lượng tử.

CHÚNG TA KHÔNG THỂ LÀM GÌ VỚI INTERNET LƯỢNG TỬ?

Trong tương lai gần, internet lượng tử không thể được sử dụng để trao đổi dữ liệu theo cách mà chúng ta hiện đang làm trên máy tính xách tay của mình.

Tưởng tượng một internet lượng tử tổng quát, chính thống sẽ đòi hỏi phải dự đoán một vài thập kỷ (hoặc hơn) những tiến bộ công nghệ. Do đó, các nhà khoa học mơ về tương lai của internet lượng tử, không thể vẽ ra sự tương đồng giữa dự án như hiện tại và cách chúng ta duyệt web hàng ngày.

Rất nhiều nghiên cứu về truyền thông lượng tử ngày nay được dành riêng để tìm ra cách mã hóa, nén và truyền thông tin tốt nhất nhờ các trạng thái lượng tử. Tất nhiên, các trạng thái lượng tử được biết đến với mật độ phi thường của chúng và các nhà khoa học tự tin rằng một nút có thể dịch chuyển tức thời một lượng lớn dữ liệu.

Nhưng loại thông tin mà các nhà khoa học đang xem xét gửi qua internet lượng tử không liên quan nhiều đến việc mở hộp thư đến và cuộn qua email. Và trên thực tế, thay thế internet cổ điển không phải là những gì công nghệ đã đặt ra.

Thay vào đó, các nhà nghiên cứu đang hy vọng rằng internet lượng tử sẽ nằm bên cạnh internet cổ điển và sẽ được sử dụng cho các ứng dụng chuyên biệt hơn. Internet lượng tử sẽ thực hiện các tác vụ có thể được thực hiện nhanh hơn trên máy tính lượng tử so với trên máy tính cổ điển, hoặc quá khó thực hiện ngay cả trên các siêu máy tính tốt nhất hiện nay.

VÌ VẬY, CHÚNG TA ĐANG CHỜ ĐỢI ĐIỀU GÌ?

Các nhà khoa học đã biết cách tạo ra sự vướng víu giữa các qubit và họ thậm chí đã tận dụng thành công sự vướng víu cho QKD.

Trung Quốc, một nhà đầu tư lâu năm vào mạng lượng tử, đã phá vỡ kỷ lục về sự vướng víu do vệ tinh gây ra. Các nhà khoa học Trung Quốc gần đây đã thiết lập sự vướng víu và đạt được QKD trên quãng đường kỷ lục 745 dặm.

Tuy nhiên, giai đoạn tiếp theo là mở rộng cơ sở hạ tầng. Tất cả các thí nghiệm cho đến nay chỉ kết nối hai điểm cuối. Giờ đây, khi giao tiếp điểm-điểm đã đạt được, các nhà khoa học đang làm việc để tạo ra một mạng lưới trong đó nhiều người gửi và nhiều người nhận có thể trao đổi qua internet lượng tử trên quy mô toàn cầu.

Về cơ bản, ý tưởng là tìm ra những cách tốt nhất để tạo ra nhiều qubit vướng víu theo yêu cầu, trên khoảng cách xa và giữa nhiều điểm khác nhau cùng một lúc. Điều này nói dễ hơn làm: ví dụ, duy trì sự vướng mắc giữa một thiết bị ở Trung Quốc và một thiết bị ở Mỹ có thể sẽ yêu cầu một nút trung gian, bên cạnh các giao thức định tuyến mới.

Và các quốc gia đang lựa chọn các công nghệ khác nhau khi nói đến việc thiết lập sự vướng víu ngay từ đầu. Trong khi Trung Quốc đang chọn công nghệ vệ tinh, cáp quang là phương pháp được Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ ưa chuộng, hiện đang cố gắng tạo ra một mạng lưới các bộ lặp lượng tử có thể tăng khoảng cách ngăn cách các qubit vướng víu.

Ở Mỹ, các hạt vẫn vướng víu qua sợi quang trên một "vòng lặp lượng tử" dài 52 dặm ở ngoại ô Chicago, mà không cần bộ lặp lượng tử. Mạng lưới sẽ sớm được kết nối với một trong những phòng thí nghiệm của DoE để thiết lập một thử nghiệm lượng tử dài 80 dặm.

Tại EU, Liên minh Internet lượng tử được thành lập vào năm 2018 để phát triển chiến lược cho internet lượng tử và đã chứng minh sự vướng víu trên 31 dặm vào năm ngoái.

Đối với các nhà nghiên cứu lượng tử, mục tiêu là mở rộng mạng lên cấp quốc gia trước tiên, và một ngày nào đó thậm chí là quốc tế. Đại đa số các nhà khoa học đồng ý rằng điều này khó có thể xảy ra trước một vài thập kỷ. Internet lượng tử chắc chắn là một dự án rất dài hạn, với nhiều trở ngại kỹ thuật vẫn còn cản đường. Nhưng những kết quả bất ngờ mà công nghệ chắc chắn sẽ mang lại trên đường đi sẽ tạo ra một hành trình khoa học vô giá, hoàn chỉnh với rất nhiều ứng dụng lượng tử kỳ lạ mà hiện tại, thậm chí không thể dự đoán được.