Truyền thành công các khóa lượng tử trong tuyến cáp quang viễn thông đường dài

Hiệp Khách Quậy Lần đầu tiên thông tin lượng tử đã được truyền đi ở một tốc độ tương đối cao trong một tuyến cáp quang đường dài đang bận truyền những luồng viễn thông khác. Thông thường thì luồng thông tin khác sẽ làm gián đoạn sự truyền thông lượng tử. Hệ thống được phát triển bởi các nhà nghiên cứu tại Phòng nghiên... Xin mời đọc tiếp.

Lần đầu tiên thông tin lượng tử đã được truyền đi ở một tốc độ tương đối cao trong một tuyến cáp quang đường dài đang bận truyền những luồng viễn thông khác. Thông thường thì luồng thông tin khác sẽ làm gián đoạn sự truyền thông lượng tử. Hệ thống được phát triển bởi các nhà nghiên cứu tại Phòng nghiên cứu Cambridge của hãng Toshiba ở Anh, cùng với các kĩ sư tại trường ĐH Cambridge. Nó hoạt động dựa trên một máy dò có thể mở trong khoảng 100 ps (10-10 s) để đảm bảo nó phát hiện ra một tín hiệu lượng tử một cách hiệu quả và loại trừ đa phần tín hiệu nền nhiễu.

Trong khi đa số các ứng dụng thông tin lượng tử vẫn còn là viễn cảnh trong vài thập niên tới, nhưng một số tổ chức trong đó có một vài ngân hàng ở Thụy Sĩ hiện đang sử dụng kĩ thuật “mật mã học lượng tử” để đảm bảo an toàn cho sự truyền thông của họ. Sự phân bố khóa lượng tử (QKD) cho phép hai phía (thường gọi là Alice và Bob) trao đổi một khóa mã hóa không bị đọc bởi một kẻ nghe trộm (gọi là Eve). Sự bảo mật như thế này là có thể bởi vì khóa đó được truyền đi dưới dạng những bit thông tin lượng tử (qubit). Nếu bị chặn và đọc bởi một bên thứ ba, những qubit như thế bị thay đổi bất thường, cung cấp cho Alice và Bob biết Eve đã nhìn thấy khóa đó và không sử dụng nó nữa.

Các hệ thống QKD thương mại sử dụng photon làm qubit bởi vì những hạt ánh sáng này có thể truyền đi trong những sợi quang đường xa mà không đánh mất bản chất lượng tử của chúng. Tuy nhiên, khó khăn là thu lấy một photon qubit từ nền nhiễu của những photon ngẫu nhiên sinh ra khi có nhiều tín hiệu cường độ cao được gửi qua một sợi quang viễn thông thương mại. Một giải pháp là sử dụng “sợi tối”, tức sợi quang không mang bất kì tín hiệu viễn thông nào khác. Thật không may, chi phí lắp đặt sợi tối là rất tốn kém.

Ketaki Patel thuộc hãng Toshiba đang điều chỉnh một bộ phận của hệ thống dùng để truyền thông tin lượng tử đi xa 90 km

Ketaki Patel thuộc hãng Toshiba đang điều chỉnh một bộ phận của hệ thống dùng để truyền thông tin lượng tử đi xa 90 km trong một sợi quang viễn thông. (Ảnh: Toshiba)

Định thời gian chính xác

Cái mà các nhà nghiên cứu Toshiba và Cambridge làm được là họ đã tìm ra một cách lọc nhiễu và tập trung vào các photon qubit. Được phát triển bởi Zhiliang Yuan và Andrew Shields tại Cambridge, kĩ thuật của họ cho Alice tạo ra một photon qubit trong thời gian 30 ps. Sau đó photon được gửi vào một sợi quang dài 90 km đến Bob, anh ta phát hiện ra photon bằng cách bật máy dò của anh ta trong thời gian 100 ps tại thời điểm tới như trông đợi.

Mặc dù sợi quang truyền tin chứa đầy các photon nhiễu, nhưng đa phần photon nhiễu ngẫu nhiên sẽ không đi tới máy dò trong khoảng thời gian cực ngắn này, Yuan giải thích. Đối với Bob, anh ta biết chính xác khi nào photon của Alice truyền đến nhờ một hệ thống định giờ chạy trong cùng sợi quang đó. Dựa trên một diode laser, các tín hiệu đồng hồ được gửi từ Alice đến Bob và cho phép Bob xác định thời điểm tới của các photon qubit trong vòng 10 ps.

Đội khoa học đã kiểm tra hệ thống của họ trên những đoạn cáp quang đường dài, truyền dữ liệu viễn thông bình thường ở tốc độ 1 Gbit/s ở cả hai chiều của sợi quang, tạo ra tín hiệu nền nhiễu. Bất chấp sự nhiễu, đội khoa học đã có thể truyền các khóa lượng tử đi ở tốc độ 500 kbit/s trên một đoạn cáp quang dài 50 km – cao gấp 50.000 lần tốc độ dữ liệu nhanh nhất trước đây cho cự li truyền này. Đội nghiên cứu còn có thể gửi đi những khóa lượng tử ở tốc độ gần 8 kbit/s trên một sợi quang dài 90 km – cự li xa nhất đối với một sợi quang viễn thông.

Hoàn hảo đối với những tuyến cáp ngầm

Mặc dù những cự li truyền này chưa đủ tốt để cho phép sự truyền thông lượng tử xuyên đại dương hoặc xuyên lục địa, nhưng 90 km là đủ cao cho mạng cáp ngầm ở một thành phố lớn. Yuan cho boeets các nhà nghiên cứu Cambridge hiện đang hợp tác với các đồng sự ở Nhật Bản để thực hiện những thử nghiệm chặt chẽ quy mô lớn nhằm cải thiện hiệu quả của hệ thống.

Tham khảo: http://prx.aps.org/abstract/PRX/v2/i4/e041010

123physics (thuvienvatly.com)
Nguồn: physicsworld.com

Mời đọc thêm