Khám phá Teleport lượng tử: Từ lý thuyết đến ứng dụng thực tế

Calitoday - Trong khi khái niệm "dịch chuyển tức thời" thường gợi nhớ đến các kịch bản khoa học viễn tưởng về các vật thể vật lý chuyển động tức thời, thì thực tế hiện tại và các ứng dụng trong tương lai gần lại nằm trong lĩnh vực dịch chuyển tức thời lượng tử. Đây là một quá trình hoàn toàn khác tập trung vào việc truyền thông tin lượng tử, chứ không phải bản thân vật chất được vận chuyển.

Dịch chuyển tức thời lượng tử (Teleportation), theo lý thuyết đầu tiên được đề xuất vào năm 1993 và được chứng minh thử nghiệm vào năm 1998, cho phép việc truyền tải các trạng thái lượng tử giữa các hạt sử dụng vướng lượng tử. Các nhà khoa học đã dịch chuyển thành công thông tin lượng tử trên nhiều khoảng cách và môi trường khác nhau—từ thiết lập phòng thí nghiệm đến môi trường mở và thậm chí là vào trong không gian.

Dịch chuyển tức thời lượng tử là gì?

Teleportation là một kỹ thuật để truyền trạng thái lượng tử của một hạt (như qubit, đơn vị cơ bản của thông tin lượng tử) từ vị trí này sang vị trí khác mà không cần di chuyển hạt theo phương pháp vật lý. Kỹ thuật này dựa trên hai hiện tượng lượng tử chính:

Có một sự khác biệt quan trọng giữa dịch chuyển thông tin lượng tử và dịch chuyển các đối tượng vĩ mô hoặc sinh vật sống. Nhắc đến việc dịch chuyển con người tiết lộ một quan niệm sai lầm phổ biến về khả năng và hạn chế của Teleportation. 

Dịch chuyển một con người sẽ yêu cầu sao chép sinh vật chính xác ở mức độ khoảng 10/10 tỷ (10^28) nguyên tử với độ chính xác này gần như hoàn hảo - một nhiệm vụ vượt xa khả năng công nghệ của loài người hiện tại.

Hiện nay, theo nghiên cứu do Quỹ Khoa học Quốc gia tài trợ bởi Đại học Rochester và Đại học Purdue, dịch chuyển cũng có thể xảy ra giữa electron. Đây là một bước đột phá lớn.

Và khi tiến bộ tính toán lượng tử, các chuyên gia cho rằng dịch chuyển các vật thể phức tạp, thậm chí con người, một ngày nào đó sẽ là hoàn toàn có thể. Tuy nhiên, quá trình này không đơn giản như bước vào một cổ máy vận chuyển nhỏ gọn như trong các bộ phim khoa học viễn tưởng. Teleportation sẽ không di chuyển mọi thứ theo phương thức vật lý thông thường mà là chuyển đổi các vật chất đó thành thông tin lượng tử của mỗi nguyên tử trong cơ thể một người, về cơ bản các thông tinh này sẽ được tái tạo lại hình thể ban đầu tại đích đến, đồng thời phá hủy bản gốc.

Sự vướng víu lượng tử: Đây là một kết nối kỳ lạ giữa hai hoặc nhiều hạt, trong đó số phận của chúng đan xen vào nhau, bất kể khoảng cách giữa chúng. Đo lường một đặc tính của một hạt vướng víu sẽ ảnh hưởng ngay đến đặc tính tương ứng của hạt kia.

Truyền thông cổ điển: Ngoài sự vướng víu, dịch chuyển tức thời lượng tử đòi hỏi một kênh cổ điển để truyền thông tin về các phép đo được thực hiện trên các hạt ban đầu và một trong các hạt vướng víu.

Nguyên lý hoạt động (giản lược):

Sau đây là một ví dụ về sự vướng víu được thiết lập: Hai hạt vướng víu được tạo ra và tách ra. Một hạt được gửi đến người gửi (Alice) và hạt còn lại được gửi đến người nhận (Bob).

Đo lường của người gửi: Alice có một hạt mà cô ấy muốn dịch chuyển tức thời đến trạng thái lượng tử của nó. Cô ấy tương tác hạt này với hạt vướng víu của mình và thực hiện một phép đo chung cụ thể (phép đo Bell).

Truyền thông tin cổ điển: Kết quả phép đo của Alice là thông tin cổ điển (một vài bit) mà cô ấy gửi đến Bob thông qua một kênh truyền thông thông thường.

Tái tạo bởi người nhận: Dựa trên thông tin cổ điển nhận được từ Alice, Bob thực hiện một thao tác cụ thể trên hạt vướng víu của mình. Thao tác này tái tạo trạng thái lượng tử ban đầu (của hạt Alice trở thành hạt của Bob).

Những điểm chính cần hiểu:

Truyền thông tin, phi vật chất: Không có vật chất vật lý nào được di chuyển từ nơi này đến nơi khác. Chỉ có thông tin lượng tử được mã hóa trong hạt được truyền đi. Hạt ban đầu tại vị trí của người gửi không còn ở trạng thái ban đầu sau khi đo nó sẽ bị hủy.

Định lý không sao chép: Dịch chuyển tức thời lượng tử tuân theo định lý không sao chép, trong đó nêu rằng trạng thái lượng tử chưa biết không thể được sao chép hoàn hảo. Trạng thái ban đầu được chuyển giao, không phải sao chép.

Ứng dụng của dịch chuyển tức thời lượng tử:

Dịch chuyển tức thời lượng tử là một khối xây dựng cơ bản cho một số công nghệ lượng tử mới nổi, bao gồm:

Giao tiếp lượng tử:

Giao tiếp an toàn (Mã hóa lượng tử): Dịch chuyển tức thời lượng tử có thể được sử dụng để phân phối an toàn các khóa lượng tử để mã hóa. Bất kỳ nỗ lực nào nhằm nghe lén các hạt vướng víu sẽ làm nhiễu trạng thái của chúng, cảnh báo các bên giao tiếp.

Internet lượng tử: Nó được hình dung là một công nghệ quan trọng để xây dựng một mạng internet lượng tử trong tương lai, cho phép truyền thông tin lượng tử an toàn và nhanh chóng qua các khoảng cách xa.

Máy tính lượng tử:

Máy tính lượng tử có thể mở rộng: Dịch chuyển tức thời có thể giúp kết nối các mô-đun khác nhau trong máy tính lượng tử, cho phép tạo ra các bộ xử lý lượng tử lớn hơn và mạnh hơn. Nó có thể cho phép truyền thông tin lượng tử giữa các qubit không được kết nối vật lý.

Máy tính lượng tử phân tán: Nó có thể tạo điều kiện liên kết nhiều máy tính lượng tử nhỏ hơn để cùng nhau giải quyết các vấn đề phức tạp.

Mạng lượng tử:

Xây dựng mạng lượng tử: Dịch chuyển tức thời là điều cần thiết để tạo và vận hành các mạng lượng tử, cho phép phân phối sự vướng víu và trao đổi thông tin lượng tử an toàn giữa nhiều người dùng.

Cảm biến và đo lường lượng tử:

Phép đo độ chính xác được cải thiện: Dịch chuyển tức thời có khả năng được sử dụng để tăng cường độ nhạy và độ chính xác của các cảm biến lượng tử.

Dịch chuyển tức thời lượng tử không còn chỉ là một khái niệm lý thuyết nữa. Các nhà khoa học đã chứng minh thành công việc dịch chuyển tức thời các trạng thái lượng tử qua những khoảng cách ngày càng xa, thậm chí thông qua các sợi quang mang lưu lượng internet cổ điển và giữa các bộ xử lý lượng tử độc lập.

Thế Anh.