Một thí nghiệm gần đây đã tạo ra mạng lượng tử một chiều giữa hai phòng thí nghiệm, đạt đến một cột mốc quan trọng trên con đường tạo ra internet lượng tử.
Trong khi các nhà nghiên cứu tiếp tục làm cho máy tính lượng tử ngày càng có năng lực, thì các máy tính thông thường vẫn giữ một lợi thế lớn: Dữ liệu của chúng, được biểu diễn theo chuỗi số không và số một, có thể đi siêu xa lộ thông tin. Các máy tính lượng tử, thay vào đó chạy trên các chồng số không và các số không lượng tử, không thể sử dụng internet để giao tiếp với nhau.
Nhiều dự án trên khắp thế giới đang làm việc để tạo ra “internet lượng tử”, một mạng mà các máy tính lượng tử có thể chia sẻ và trao đổi thông tin. Một dự án như vậy, sự hợp tác giữa Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven và Đại học Stony Brook ở New York, gần đây đã đạt được một cột mốc quan trọng: chứng minh rằng các bit lượng tử, hoặc qubit, từ hai máy tính lượng tử ở xa có thể bị vướng vào một vị trí thứ ba. Đây là một bước quan trọng trong việc tạo ra một internet lượng tử, và đáng kể là các nhà nghiên cứu đã làm điều đó qua cáp internet tiêu chuẩn.
“Một phần thách thức của việc xây dựng một mạng internet lượng tử là tôi thậm chí có thể nhận được thông tin lượng tử thông qua các loại mạng cáp quang mà chúng ta sử dụng cho thông tin liên lạc thông thường ở mức độ nào?” Joseph Lykken, phó giám đốc nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm máy gia tốc quốc gia Fermi và là người đứng đầu Viện lượng tử Fermilab cho biết. “Điều đó thực sự quan trọng, và họ đang làm việc này ở Brookhaven-Stony Brook ở một khoảng cách xa hơn so với những gì tôi nghĩ gần như bất kỳ ai khác.”
Một loại máy tính mới cần một loại internet mới
Máy tính lượng tử không phải là phiên bản siêu cường của máy tính cổ điển. Thay vào đó, họ tiếp cận điện toán theo một cách hoàn toàn mới. Về mặt lý thuyết, họ có thể tận dụng các khái niệm cơ học lượng tử như chồng chất và vướng víu để giải quyết một số loại vấn đề – ví dụ, những vấn đề xuất hiện khi mã hóa dữ liệu hoặc mô phỏng phản ứng hóa học – nhanh hơn nhiều so với các cách tiếp cận truyền thống. Công nghệ điện toán lượng tử vẫn đang trong giai đoạn phát triển ban đầu và nhiều ứng dụng hứa hẹn nhất vẫn chưa được hiện thực hóa. Các ứng dụng khác có thể vẫn chưa được khám phá.
Thiết lập máy phát qubit tại Đại học Stony Brook.
Tương tự, “internet lượng tử” sẽ không phải là phiên bản siêu nhanh và an toàn của internet ngày nay. Thay vào đó, nó có thể sẽ có các ứng dụng cụ thể chuyển thông tin lượng tử giữa các máy tính. Để làm được điều này, các qubit của máy tính bị vướng vào nhau, nghĩa là chúng được đặt trong một chồng chất trong đó các trạng thái lượng tử khả dĩ riêng biệt của chúng trở nên phụ thuộc vào nhau và các qubit sau đó trở thành một hệ lượng tử duy nhất. Việc đo trạng thái của một trong những qubit này phá vỡ sự chồng chất, ngay lập tức ảnh hưởng đến trạng thái của những qubit khác – và quá trình đo lường / vướng víu này là cách thông tin lượng tử có thể được truyền đi.
Sự vướng víu giữa hai máy tính lượng tử đã có thể xảy ra trong thực nghiệm trong vài năm, nhưng nhóm nghiên cứu tại Brookhaven và Stony Brook đã tiến thêm một bước nữa: Họ đã tạo ra mạng lượng tử dài nhất ở Hoa Kỳ bằng cách cho thấy rằng hai máy tính lượng tử có thể vướng vào nhau bằng cách sử dụng một phần ba nút. Đây là bước đầu tiên trong việc xây dựng một mạng mà nhiều máy tính có thể “nói chuyện” với nhau thông qua một nút trung tâm.
Để thực hiện thí nghiệm, các nhà nghiên cứu phải đối mặt với một thách thức duy nhất đối với các hệ thống lượng tử: Để vướng vào các hạt lượng tử, tạo nên qubit, các hạt phải đến nút hoàn toàn không thể phân biệt được với nhau mặc dù chúng đã đi những con đường khác nhau để đến đó. Đường đi càng khác nhau thì điều này càng khó – và mạng lưới giữa Brookhaven và Stony Brook chạy qua cáp quang truyền thống dài hàng dặm, đi dưới các khu dân cư và đường cao tốc của Long Island.
Kerstin Kleese Van Dam, Giám đốc Sáng kiến Khoa học Tính toán của Brookhaven, cho biết: “Không thực sự khả thi khi đặt các dây cáp mới ở khắp mọi nơi, vì vậy việc có thể sử dụng những gì trong lòng đất là rất quan trọng.”
Bất kỳ tương tác bất ngờ nào giữa một trong các hạt lượng tử truyền qua và môi trường của nó có thể khiến nó phân biệt được với hạt kia. Nhưng bất chấp tất cả các nguồn gây nhiễu tiềm tàng, thí nghiệm có thể chứng minh rằng các hạt có thể di chuyển trên 70 km (gần 45 dặm) qua cơ sở hạ tầng truyền thống và vẫn không thể phân biệt được.
Eden Figueroa, nhà vật lý lượng tử tại Đại học Stony Brook và là nhà khoa học chính của dự án cho biết: “Kết quả của chúng tôi chứng minh rằng những photon này có thể bị vướng vào nhau và phép đo sẽ hoạt động.”
Thí nghiệm gần đây là một chiều: Các máy tính lượng tử đã gửi qubit của chúng đến nút, nhưng nút chỉ đơn giản xác định xem chúng có thể bị vướng vào nhau và không gửi lại bất cứ thứ gì. Bước tiếp theo, Figueroa cho biết, là vướng vào bộ nhớ lượng tử của máy tính, tương tự như việc liên kết hai ổ cứng của máy tính truyền thống.
“Tóm lại, chúng tôi hy vọng rằng thay vì chỉ là những ký ức, chúng tôi sẽ làm vướng víu máy tính – không chỉ kết nối ổ cứng mà còn cả các đơn vị xử lý,” Figueroa nói. “Tất nhiên, điều đó không dễ dàng.”
Eden Figueroa là người đứng đầu Nhóm Công nghệ Thông tin Lượng tử tại Đại học Stony Brook.
Internet lượng tử bao xa?
Những trở ngại còn lại đối với internet lượng tử là sự pha trộn giữa các câu hỏi nghiên cứu và các mối quan tâm về cơ sở hạ tầng. Một vấn đề là thao tác qubit giữa các máy tính lượng tử đòi hỏi sự đồng bộ hóa và giám sát theo cách mà việc quản lý các bit truyền thống không làm được. Điều này có nghĩa là trong khi máy tính lượng tử không thể trực tiếp trao đổi thông tin lượng tử qua internet, chúng vẫn cần những máy tính thông thường sử dụng internet để giao tiếp.
Inder Monga, Giám đốc Mạng Khoa học Năng lượng, nơi cung cấp dịch vụ mạng cho tất cả các phòng thí nghiệm quốc gia Hoa Kỳ, cho biết: “Bạn không thể xây dựng một mạng lượng tử và thành công nếu không có một mạng cổ điển. “Bạn phải điều khiển, quản lý và đồng bộ hóa các thiết bị lượng tử qua mạng cổ điển để thực sự truyền thông tin giữa hai đầu của mạng lượng tử”.
Sự phụ thuộc vào internet truyền thống này có nghĩa là nỗ lực xây dựng một internet lượng tử là rất liên ngành, Monga và Figueroa nói. Nó yêu cầu chuyên môn về nghiên cứu tính toán lượng tử cơ bản cũng như kỹ thuật cơ sở hạ tầng truyền thông.
“Có rất nhiều vấn đề nghiên cứu cũng như các vấn đề kỹ thuật,” Monga nói, “và để thực sự đạt được tầm nhìn của internet lượng tử, nó sẽ đòi hỏi sự hợp tác mạnh mẽ giữa con người và nguồn tài trợ để giải quyết không chỉ các vấn đề nghiên cứu vật lý cơ bản mà còn những thách thức kỹ thuật thực sự lớn cũng vậy. ”
Một trở ngại chính đối với internet lượng tử là cái mà Figueroa gọi là “chén thánh của giao tiếp lượng tử”: một bộ lặp lượng tử. Một bộ lặp lượng tử hoạt động giống như một bộ khuếch đại, trong đó nó nhận một tín hiệu của thông tin lượng tử và chuyển nó để sự vướng víu giữa các máy tính có thể xảy ra ở một khoảng cách xa hơn. Điều này là cần thiết để tạo ra một internet lượng tử lan rộng ra ngoài Long Island. Nhưng có một điểm khó khăn: Bất kỳ tương tác nào với qubit đều phá vỡ sự chồng chất của nó – và để thông tin được truyền đi, điều đó không thể xảy ra cho đến khi qubit đến đích. Một bộ lặp lượng tử thực sự sẽ có thể khuếch đại một qubit mà không cần tương tác với nó, một nhiệm vụ có vẻ nghịch lý.
Thí nghiệm gần đây về cơ bản là một nửa của bộ lặp lượng tử. Kleese Van Dam và Figueroa nhìn thấy một bộ lặp lượng tử hoàn thiện trong tương lai gần: có thể sớm nhất là vào năm 2022, Figueroa cho biết. Họ dự định truyền sự vướng víu đến một phòng thí nghiệm thứ ba ở Brooklyn nhưng cần một bộ lặp lượng tử để làm điều đó.
Figueroa nói: “Chúng tôi hy vọng rằng trong một vài năm tới, chúng tôi có thể thực sự có một hệ thống làm việc với các bộ lặp. Phút chúng tôi có thể chứng minh kết nối bộ lặp lượng tử đó, bạn chỉ cần tái tạo lại cùng một kiến trúc, lặp đi lặp lại, để kết nối những nơi ngày càng xa nhau.” Anh ấy nhìn thấy một mạng lưới trên khắp tiểu bang New York trong 10-15 năm.”
Trở ngại cuối cùng còn xa hơn rất nhiều, trong một tương lai nơi mạng lượng tử New York được kết nối với mạng được xây dựng bởi Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne và Đại học Chicago, hoặc mạng được xây dựng ở châu Âu. Các mạng đó được xây dựng bằng cách sử dụng các máy tính lượng tử khác nhau về cơ bản – trong khi mạng New York sử dụng các máy tính có các qubit được nhúng trong các nguyên tử bị mắc kẹt, các mạng khác sử dụng cái được gọi là hệ thống trạng thái rắn để tạo và điều khiển các qubit. Hai loại máy tính lượng tử thực hiện tính toán với kiến trúc hoàn toàn khác nhau.
“Bạn có thể tưởng tượng rằng internet lượng tử thực tế sẽ là một tập hợp các máy tính lượng tử dựa trên trạng thái rắn như máy tính ở Chicago và các máy tính lượng tử dựa trên nguyên tử như máy tính chúng ta có ở đây, và chúng ta phải tìm cách kết nối Figueroa nói. “Điều đó sẽ rất mát mẻ. Điều đó sẽ giống như khoa học viễn tưởng ”.
Vào tháng 7 năm 2020, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đã công bố “bản thiết kế ” chiến lược của họ để tạo ra một mạng internet lượng tử quốc gia. Nỗ lực này bao gồm dự án Brookhaven-Stony Brook và dự án Argonne-Đại học Chicago, cả hai đều được hỗ trợ bởi nghiên cứu tại các phòng thí nghiệm quốc gia khác như Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia Fermi và Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley, Oak Ridge, và Los Alamos.
Figueroa nói: “Trong khi điện toán lượng tử nhận được rất nhiều báo chí và kinh phí, làn sóng đang hướng tới mạng lượng tử,” bởi vì trừ khi bạn kết nối các máy tính lượng tử với internet lượng tử này, các ứng dụng của chúng sẽ bị hạn chế. Vì vậy, đây là thời điểm thích hợp để thực hiện những loại thí nghiệm này. “
Theo insidescience.
