Trong những năm 1960, chính phủ Mỹ đã tài trợ cho một loạt thí nghiệm phát triển các kỹ thuật đưa thông tin từ máy tính này sang máy tính khác. Ban đầu, sự kết nối xuất hiện từ thiết bị trong các phòng thí nghiệm đơn lẻ, sau đó các phòng thí nghiệm lân cận đã hình thành nên những liên kết với nhau. Không bao lâu, mạng lưới kết nối này đã nở rộ giữa các tổ chức nghiên cứu khắp cả nước, thiết lập nguồn gốc của điều mà chúng ta gọi là internet và biến đổi mãi mãi cách mọi người sử dụng thông tin. Giờ đây, 60 năm sau, Bộ Năng lượng Mỹ (DOE) đang đặt mục tiêu làm lại hành trình kỳ diệu này một lần nữa.
Theo CNBC, trong yêu cầu ngân sách năm 2021 đang được Quốc hội Mỹ xem xét, chính quyền ông Trump đã đề xuất cắt giảm tổng chi phí nghiên cứu khoa học gần 10%, nhưng lại tăng chi tiêu cho khoa học thông tin lượng tử khoảng 20%, lên tới 237 triệu USD, trong đó, DOE đã yêu cầu 25 triệu USD để đẩy nhanh sự phát triển của internet lượng tử. Mạng lưới internet lượng tử được xây dựng sẽ thúc đẩy hành vi phản trực giác của các hạt tự nhiên để vận dụng và chia sẻ thông tin theo những cách hoàn toàn mới. Với đề xuất ngân sách năm 2021, chính quyền ông Trump đang cố gắng đẩy mạnh nỗ lực nghiên cứu lượng tử, vì không chỉ có Mỹ mà nhiều nước khác hiện cũng theo đuổi lĩnh vực này.
ẢNH: IBM
Khoa học đằng sau mạng internet lượng tử
Trong khi lưu lượng truy cập internet hiện đại kết nối trực tiếp giữa các máy tính cổ điển, điện thoại thông minh, máy tính bảng, loa hoặc bộ điều nhiệt, internet lượng tử về cơ bản sẽ mang một đơn vị thông tin khác được gọi là bit lượng tử hoặc qubit. Qubit đại diện cho một ngôn ngữ khác hoàn toàn, một ngôn ngữ dựa trên hành vi của các nguyên tử, electron, các hạt tự nhiên khác và các vật thể bị chi phối bởi những quy tắc bất thường của cơ học lượng tử. Các đối tượng này luôn “trôi chảy” tự do và khó nắm bắt hơn nhiều so với đối tác của chúng trong điện toán cổ điển. Ví dụ, một nam châm ổ đĩa cứng luôn luôn hướng lên hoặc hướng xuống, nhưng không ai có thể biết được hướng đi của electron cho đến khi đo lường.
Các hạt lượng tử cũng có thể được kéo lại với nhau trong một mối quan hệ gọi là rối lượng tử (entanglement). Các cặp hạt rối lượng tử chia sẻ liên kết mật thiết giống như mối quan hệ giữa hai mặt của một đồng xu, nhưng khác ở chỗ chúng có thể di chuyển ra xa nhau và vẫn duy trì kết nối.
Các nhà khoa học phát triển internet lượng tử
Khoa học thông tin lượng tử hứa hẹn kết hợp các hiện tượng với nhau theo một cách mới, phong phú hơn trong xử lý thông tin, tương tự như việc chuyển từ đồ họa 2D sang 3D. Ví dụ, các thiết bị lượng tử thông thạo ngôn ngữ của tự nhiên có thể giúp các nhà khoa học thiết kế vật liệu và thuốc bằng cách mô phỏng cấu trúc nguyên tử mà không cần phải kiểm tra tính chất của chúng trong phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, vẫn còn cần đến hàng năm, thậm chí hàng thập niên để những điều kỳ diệu như vậy diễn ra.
Song, giống như những năm 1960, Bộ Năng lượng Mỹ giờ đây lại gieo hạt giống mới cho mạng lưới internet tương lai tại các phòng thí nghiệm quốc gia. Ngầm trong lòng đất vùng ngoại ô phía tây bang Chicago là cáp quang dài 52 dặm (hơn 83 km) mở rộng ra hai phòng thí nghiệm bắt nguồn từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne. Đầu năm nay, David Awschalom, kỹ sư lượng tử tại Đại học Chicago, đã giám sát hệ thống thử nghiệm thành công đầu tiên. “Chúng tôi đã tạo ra những trạng thái rối lượng tử của ánh sáng và cố gắng dùng nó như phương tiện để kiểm tra cách rối lượng tử hoạt động trong thế giới thực, bên dưới các tuyến đường ở Illinois, chứ không phải chỉ ở trong phòng thí nghiệm”.
Thí nghiệm tương tự cũng đang được tiến hành tại Bờ Đông nước Mỹ, nơi các nhà nghiên cứu đã gửi photon rối lượng tử trên cáp quang kết nối Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven ở New York với Đại học Stony Brook, một khoảng cách khoảng 11 dặm. Các nhà khoa học ở Brookhaven cũng đang thử nghiệm sự truyền không dây của các photon rối lượng tử với khoảng cách tương tự trong không khí.
Việc gửi và nhận các photon rối lượng tử như vậy tương đương với các bộ định tuyến lượng tử, và bước tiếp theo các nhà nghiên cứu cần là một ổ cứng lượng tử để lưu giữ thông tin được trao đổi. Khi các photon mang thông tin từ mạng lưới kết nối, bộ nhớ lượng tử sẽ lưu trữ các qubit đó dưới dạng nguyên tử rối lượng tử, giống như cách ổ cứng hiện tại đang dùng nam châm lật để giữ bit. Ông Awschalom hy vọng Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne và Đại học Chicago sẽ cùng phát triển bộ nhớ lượng tử trong mùa hè này, đồng thời trong khoảng thời gian đó mở rộng mạng lưới sang một điểm nút khác, đưa Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia Fermi ở vùng lân cận vào thế giới lượng tử, kéo dài khoảng cách ra 100 dặm. Tuy nhiên, trước khi các nhà nghiên cứu mở rộng mạng lưới lớn hơn nữa, họ sẽ cần phát minh ra bộ lặp lượng tử, một loại thiết bị giúp tăng tín hiệu bị suy yếu cho hành trình dài 100 dặm. Và các nhà nghiên cứu hiện cũng đã có một số bộ lặp lượng tử nguyên mẫu đang chạy. “Tuy nó chưa đủ tốt, nhưng chúng tôi đã học được rất nhiều”, kỹ sư Awschalom nói.
Nếu Quốc hội Mỹ phê chuẩn yêu cầu ngân sách dành cho khoa học thông tin lượng tử theo yêu cầu của chính quyền ông Trump, thì tương lai một ngày nào đó mạng lưới internet lượng tử đi từ các phòng thí nghiệm lan rộng khắp cả nước sẽ thành hiện thực.
Phương Anh
