• Thứ Tư, 20/04/2005 11:10 (GMT+7)

    Truyền thông lượng tử

    Trong nhiều tạp chí quốc tế gần đây, các nhà khoa học đã công bố thực hiện thành công "truyền thông lượng tử" photon qua bề ngang sông Danube. "Kết quả này là một bước để tiến tới bộ chuyển tiếp lượng tử và nó xứng đáng với mọi lời ca ngợi". Vì sao sự kiện này lại gây chấn động thế giới?

    Trong nhiều tờ tạp chí quốc tế gần đây, các nhà khoa học đã công bố thực hiện thành công “truyền thông lượng tử” photon qua bề ngang hơn 600m của sông Danube. “Kết quả này là một bước để tiến tới bộ chuyển tiếp lượng tử và nó xứng đáng với mọi lời ca ngợi”. Vì sao sự kiện này lại gây chấn động thế giới?

    Nguồn gốc sâu xa

    H.1: 6 nhà khoa học quốc tế của IBM: Richard Jozsa (trên, trái), William K. Woolters, Charlers H. Bennett, Gilles Brassard (dưới, trái), Claude Crépeau, Asher Peres.

     

    Trong bộ phim khoa học viễn tưởng Star Trek, nhân vật thuyền trưởng Kirk được “bắn” ra từ tàu không gian, ông “biến mất” trên tàu không gian rồi “hiện ra” trên mặt đất của một hành tinh nọ. Phải chăng máy truyền thông đã làm “tan rã” viên thuyền trưởng, di chuyển các nguyên tử tạo nên cơ thể ông đến máy nhận tại hành tinh, sau đó kết hợp chúng lại với nhau. Một ý tưởng khác, mà có lẽ hợp lý hơn, là người ta đã quét tất cả các thông tin về trạng thái vật lý của thuyền trưởng Kirk, và truyền những thông tin này đến hành tinh, nơi thông tin được sử dụng để tạo nên một thuyền trưởng Kirk mới bằng những vật liệu tìm thấy ở hành tinh đó. Trong bất cứ ý tưởng nào, người ta đều cần có tất cả thông tin về thuyền trưởng Kirk để tạo ra ông.

     
           H.2: Quá trình truyền thông lượng tử

    Nhưng làm thế nào để thực hiện được ý tưởng trên là vô cùng phức tạp. Khái niệm chung thì dường như toàn bộ thông tin bản gốc (chẳng hạn một văn kiện) sẽ được quét (bằng một máy đặc biệt tạm gọi là máy truyền thông) và chuyển đến nơi nhận để dựng nên bản sao, không cần thiết phải bằng những vật liệu như của bản gốc, nhưng phải từ chính những nguyên tố cùng loại được sắp xếp theo mô hình giống hệt bản gốc. Máy truyền thông sẽ giống như máy fax, ngoại trừ nó xử lý những vật có không gian 3 chiều và có thông tin đặc thù. Nó sẽ tạo ra một bản sao y hệt bản gốc thay vì một bản fax giống tương tự, và nó sẽ huỷ bản gốc trong quá trình quét. Một số nhà viết truyện khoa học viễn tưởng đã từng nghĩ đến những máy truyền thông bảo quản được bản gốc, tuy nhiên ý tưởng này trở nên rắc rối khi bản gốc và bản sao gặp nhau. Tuy nhiên, loại truyền thông thường gặp hơn là loại hủy đi bản gốc, vận hành như một thiết bị chuyển tải cao cấp, chứ không phải như một máy sao chép hoàn hảo của linh hồn và thể xác.

    Vào năm 1993, một nhóm gồm 6 nhà khoa học quốc tế của hãng máy tính IBM (hình 1) củng cố ý tưởng của phần đông các nhà viết truyện khoa học viễn tưởng bằng cách chứng minh truyền thông (teleportation) là có thể xảy ra về mặt nguyên tắc, nhưng chỉ khi bản gốc bị huỷ đi. Họ đã sử dụng hiệu ứng Einstein-Podolsky-Rosen (EPR), nội dung của nó là tìm cách để quét ra chỉ một phần nào đó của thông tin từ vật A, trong khi đó làm cho phần thông tin chưa được quét chạy đến vật C (vật C không có bất cứ mối quan hệ nào với vật A).

    H.3: So sánh quá trình sao chép thông thường và truyền thông lượng tử

     

    Sau đó, bằng cách điều biến vật C theo thông tin đã được quét, người ta có thể làm cho C trở nên giống A như trước khi A được quét. A bây giờ không còn giống như trước khi được quét nữa, vì nó đã bị nhiễu loạn bởi quá trình quét. Vì thế, sự đạt được là truyền thông chứ không phải là sự sao chép.

    Trong hình 2, phần thông tin chưa quét được chuyển từ A đến C qua một vật trung gian B. B trước tiên tương tác với C rồi mới đến A. Tại sao “với C trước rồi mới đến A”? Thông thường, một điều chắc chắn là để chuyển một thông tin nào đó từ A đến C, phương tiện chuyển phải đến A trước C. Tuy nhiên, có một loại thông tin tinh vi mà không thể quét được và không giống như bất cứ một loại hàng hoá hay thông tin bình thường nào, nó có thể được vận chuyển theo đường ngược lại. Loại thông tin tinh vi này, được gọi là “sự tương quan Einstein-Podolsky-Rosen (EPR)” được biết đến trong bài thuyết trình nổi tiếng của Albert Einstein, Boris Podolsky và Nathan Rosen.

    Nguyên tắc chung

     
                 Hình 4: Các bước trong truyền thông điện tử

    Hình 3 so sánh sự sao chép thông thường với truyền thông lượng tử. Theo phương pháp sao chép thông thường, vật gốc trước tiên được quét, thông tin được chắt lọc từ nó, tuy nhiên nó không hề thay đổi mà vẫn giữ được trạng thái ban đầu. Phần thông tin đã quét được gửi đến trạm nhận, nơi nó được in ra trên một vật liệu chẳng hạn như giấy để tạo ra một bản sao của bản gốc. Theo phương pháp “truyền thông lượng tử”, hai vật B và C trước tiên được đem lại gần và tiếp xúc với nhau, sau đó bị tách ra: vật B được đem đến trạm gửi, trong khi đó vật C được đem đến trạm nhận. Ở trạm gửi, vật B được quét cùng với vật gốc A (vật A là vật được truyền thông), sinh ra một số thông tin và hủy hoàn toàn trạng thái của A và B. Thông tin được quét sau đó được gửi đến trạm nhận, nơi nó được sử dụng để tác động lên vật C và biến C thành bản sao chính xác của trạng thái gốc của A.

    Phân tích sự đột phá trong “truyền thông lượng tử”

    Bây giờ chúng ta cùng nhau phân tích vì sao sự thực hiện thành công "truyền thông lượng tử" các photon qua bề ngang hơn 600m của con sông Danube lại gây tiếng vang lớn như vậy? Vì sao gọi sự kiện này là bước đột phá trong truyền thông lượng tử?

    Hình 5: Thí nghiệm từ người gửi (Alice) đến người nhận (Bob)

     

    Trước hết, truyền thông qua đường dài rất quan trọng để cho ước mơ về tính toán lượng tử siêu tốc trở thành hiện thực. Khi các nhà vật lý học nhắc đến từ “truyền thông lượng tử”, tức là họ đang miêu tả sự chuyển đổi của các đặc tính then chốt của vật này sang vật khác dù hai vật đó không hề “tiếp xúc” với nhau.

    Một ống nối tạo nên một đường dẫn giữa 2 phòng thí nghiệm, được gọi là Alice và Bob. Đường dẫn này cho phép những đặc tính, hay còn gọi là “trạng thái lượng tử” (quantum states) của các phần tử ánh sáng được chuyển từ người gửi (Alice) đến người nhận (Bob). (Hình 5)

    Theo Rupert Ursin, nhà nghiên cứu tại Viện Vật Lý Thực Nghiệm của Đại Học Vienna, thí nghiệm này là bước đột phá trên toàn thế giới vì “lần đầu tiên trong lịch sử, chúng ta đã có thể tiến hành thí nghiệm về truyền thông lượng tử ngoài phòng thí nghiệm.

    “Truyền thông lượng tử ” trong tương lai

     
    Hình 6 - Thiết kế mạng Internet lượng tử truyền qua hệ thống vệ tinh

    Trong tương lai, thông tin sẽ được thay thế bằng thông tin lượng tử, ký hiệu là qubit (dạng lượng tử của bit số 1 và 0) và dữ liệu sẽ được xử lý bằng máy tính lượng tử (TGVT sê-ri A 03/2004, tr. 79). Một nhóm các nhà khoa học người Áo đã mã hoá những qubit này bằng cách sử dụng tính chất của photon ánh sáng, đó là sự phân cực. Tính chất này miêu tả hướng photon ánh sáng dao động.

    Bước tiếp theo để đạt được viễn thông lượng tử trên toàn thế giới sẽ là thử nghiệm truyền thông những trạng thái lượng tử giữa các phần tử bằng cách sử dụng đường nối vệ tinh tạo thành mạng Internet lượng tử. (Hình 6)

    Cuối cùng, một câu hỏi được đặt ra: liệu chúng ta có thể truyền thông lượng tử con người như bộ phim khoa học viễn tưởng Star Trek không? Làm thế nào để tạo nên những bộ phận của cơ thể con người trong truyền thông lượng tử? Trong tương lai gần có lẽ là không, vì cơ thể con người chứa đựng quá nhiều thông tin để quét và tạo nên bản sao. Để truyền thông một con người, máy phải xác định và phân tích hàng tỷ tỷ nguyên tố tạo nên cơ thể đó. Trong khi hiện nay các nhà khoa học chỉ mới tiến hành được những bước sơ bộ để truyền thông một nguyên tử! Tuy nhiên nếu có một bước đột phá nào đó trong thế giới lượng tử thì trong một tương lai xa những việc xảy ra trong bộ phim khoa học viễn tưởng Star Trek có thể trở thành hiện thực.

    Kết luận

    Vào thế kỷ 18, 19 con người mơ ước bay lên bầu trời nhanh hơn chim hay lặn sâu dưới biển như cá được xem là chuyện hoang đường, chuyện khoa học viễn tưởng. Thế kỷ 20 đã biến ước mơ trên trở thành hiện thực. Sự kiện thực hiện thành công “truyền thông lượng tử” photon qua bề ngang hơn 600m của con sông Danube đầu thế kỷ 21 được xem là kỳ tích, bước đột phá giống như sự kiện con người bay lên trời. Một ngày nào đó bằng truyền thông lượng tử người ta có thể truyền cả cốc cà phê từ Paris sang New York như ngày nay ta truyền một bản Fax. Truyền thông lượng tử sẽ biến những ước mơ hoang đường thành sự thực.

    TS.Ngô Tứ Thành & TS. Lê Minh Thanh
    Học Viện CN Bưu Chính Viễn Thông

      Tài liệu tham khảo:  
      • http://www.dhushara.com/book/quantcos/at/tele.htm
    • http://www.sciam.com/article.cfm?articleID=000637AF-BD3C-1123-A74383414B7F4945
    • http://radio.weblogs.com/0105910/2004/08/24.html
    • http://news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/3576594.stm
     
    ID: A0504_105