Công nghệ lượng tử của Toshiba thay đổi ngành viễn thông

Mới đây, Tập đoàn Toshiba chi nhánh tại châu Âu vừa công bố thành công trong việc truyền thông tin lượng tử an toàn qua mạng viễn thông hiện có, sử dụng cáp quang tiêu chuẩn ở nhiệt độ phòng và hoàn toàn không cần đến các thiết bị làm lạnh đắt tiền phức tạp.

Một mô tả về cấu trúc mạng được sử dụng trong thử nghiệm đầu tiên trên thế giới. Nguồn: toshiba.eu

Thành tựu này đánh dấu bước đột phá lớn trong lĩnh vực công nghệ lượng tử. Thay vì phụ thuộc vào môi trường nhiệt độ thấp và thiết bị nhạy cảm, cuộc thử nghiệm đã truyền thông tin lượng tử qua 250 km cáp quang thông thường, sử dụng các thiết bị bán dẫn đơn giản, giá thành thấp và dễ tiếp cận. Cuộc thử nghiệm diễn ra tại Đức, kết nối giữa Kehl và Frankfurt qua mạng cáp quang của Deutsche Telekom.

Nếu có thể mở rộng quy mô và áp dụng công nghệ này vào hoạt động thực tế ở cấp độ mạng viễn thông hoặc trung tâm dữ liệu, đây sẽ là bước tiến quan trọng, giúp giảm rào cản trong việc triển khai truyền thông an toàn lượng tử trong thực tế.

Cuộc gọi video đầu tiên trên thế giới qua mạng lượng tử

Hiện nay, truyền thông lượng tử phần lớn phụ thuộc vào nhiệt độ rất thấp để duy trì trạng thái lượng tử mong manh của các qubit (đơn vị cơ bản trong hệ thống lượng tử). Quá trình hạ nhiệt độ xuống mức cực thấp này thường dùng khí heli đã hóa lỏng. Ở nhiệt độ chỉ cao hơn không độ tuyệt đối một phần nhỏ (0 Kelvin, -273,15 độ C hoặc -460 độ F), các hệ thống truyền thông lượng tử như ion bẫy, photon và mạch siêu dẫn trở nên dễ bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố môi trường, bao gồm điện từ, dao động nhiệt ngẫu nhiên và rung động. Bất kỳ yếu tố nào trong số này đều có thể khiến các qubit chuyển đổi giữa các trạng thái, dẫn đến lỗi ngay lập tức trong tính toán và truyền dữ liệu.

Tính kết hợp lượng tử, khả năng qubit tồn tại trong trạng thái chồng chất có giá trị đồng thời là 0 và 1, hoặc ở trạng thái vướng víu, có thể bị phá vỡ rất dễ dàng. Khi điều này xảy ra, trạng thái lượng tử mất đi tính kết hợp gần như tức thì, khiến quá trình tính toán và truyền thông bị gián đoạn. Công nghệ làm lạnh giúp ổn định trạng thái lượng tử và giảm thiểu khả năng mất kết hợp, nhưng việc giữ nhiệt độ siêu lạnh gần không độ tuyệt đối (nhiệt độ dưới 0,01 Kelvin) rất khó khăn, đòi hỏi độ chính xác cao, tốn thời gian và chi phí lớn.

Thí nghiệm của Toshiba châu Âu, được công bố trên tạp chí khoa học Anh Nature, đã chứng minh thông tin lượng tử được mã hóa trong ánh sáng có thể duy trì ổn định qua mạng lưới cáp quang truyền thống kéo dài nhiều kilomet ở nhiệt độ phòng. Đột phá này đạt được nhờ các diode chip đơn giản thay vì sử dụng và quản lý các hệ thống làm lạnh phức tạp.

Toshiba Lifestyle: Định nghĩa ‘sự hoàn hảo trong thầm lặng’ trên hành trình 150 năm

Mirko Pittaluga, tác giả chính của nghiên cứu Toshiba được đăng trên Nature, cho biết: "Qua cuộc thử nghiệm này, chúng tôi đã hoàn toàn thiết kế lại cách đo lường và ổn định thông tin lượng tử, với cấu hình quang học độc đáo loại bỏ hoàn toàn nhu cầu sử dụng thiết bị làm lạnh chất lượng phòng thí nghiệm".

Robert Woodward, trưởng nhóm tại Toshiba châu Âu, bổ sung: "Bước đột phá chính là sử dụng photodiode thác bán dẫn. Điều này đơn giản hóa việc triển khai và cho phép chuyển từ phòng thí nghiệm sang mạng quốc gia và quốc tế".

Diode là linh kiện điện tử hai đầu cho phép dòng điện chỉ chạy theo một chiều và hoạt động như công tắc một chiều, ngăn dòng điện chạy ngược lại. Photodiode là diode bán dẫn nhạy cảm với bức xạ photon như ánh sáng khả kiến, tia hồng ngoại, tia cực tím, tia X và tia gamma. Nó tạo ra dòng điện khi hấp thụ photon.

Khi photon tương tác với vật liệu bán dẫn, nó có thể tạo ra cặp electron lỗ trống. Về bản chất, lỗ trống electron là vị trí thiếu electron ở nơi nó có thể tồn tại. Lỗ trống không phải là hạt vật lý mà là vị trí electron nên có nhưng không có, khiến nó mang điện tích dương so với đám mây electron xung quanh. Photodiode thác (APD) chuyển đổi mỗi photon phát hiện được thành một dòng thác lớn các cặp electron-lỗ trống. Các cặp này sau đó có thể tái kết hợp, phát ra photon, có thể được sử dụng để mã hóa và truyền thông tin lượng tử.

Giữ vững vị thế dẫn đầu khu vực, Toshiba Lifestyle công bố loạt chiến dịch mới

Trong truyền thông lượng tử, cặp electron lỗ trống đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra và điều khiển photon, đây là đơn vị cơ bản của ánh sáng dùng để truyền thông tin lượng tử. Lỗ trống có thể được sử dụng để tạo ra hoặc kiểm soát việc phát photon, có thể vướng víu hoặc sử dụng trong các công nghệ lượng tử khác. Trong trường hợp lưu trữ thông tin lượng tử, cặp electron lỗ trống còn có thể dùng để lưu trữ thông tin lượng tử bằng cách mã hóa vào spin của electron hoặc lỗ trống.

Thử nghiệm này còn tạo thêm một kỷ lục thế giới: Toshiba châu Âu lần đầu áp dụng thành công công nghệ phân phối khóa lượng tử trường đôi (TF-QKD) vào hệ thống viễn thông thực tế. Trước đây, các nhà khoa học thường chỉ thử nghiệm truyền thông lượng tử trong phòng thí nghiệm với điều kiện được kiểm soát nghiêm ngặt, chủ yếu để khắc phục tình trạng suy hao và mất tín hiệu khi truyền qua cáp quang khoảng cách xa.

Trong cuộc thử nghiệm tại Đức, Toshiba đã sử dụng giao thức TF-QKD mà công ty phát minh năm 2018 tại Cambridge, Anh. Công nghệ này cho phép trao đổi khóa lượng tử giữa hai bên với điểm đo nằm giữa chúng, giúp giảm mất tín hiệu và cho phép truyền thông ở khoảng cách xa hơn. Cuộc thử nghiệm chứng minh giao thức này có thể mở rộng phạm vi truyền dẫn vượt xa các giao thức QKD điểm-điểm truyền thống, khiến TF-QKD rất phù hợp cho liên lạc an toàn khoảng cách xa.

Andrew Shields, Phó Chủ tịch kiêm Trưởng bộ phận công nghệ lượng tử tại Toshiba châu Âu, nhận định: "Chúng tôi tự hào về những thành tựu tiên phong trong phát triển và thương mại hóa QKD tại Toshiba. Cuộc thử nghiệm này đánh dấu một cột mốc quan trọng khác trong việc mở rộng quy mô QKD hướng tới mục tiêu cuối cùng là xây dựng mạng internet lượng tử kết nối các thành phố và quốc gia lớn, với bảo mật lượng tử làm nền tảng".

Năm nay, Toshiba kỷ niệm 150 năm thành lập. Công ty được thành lập năm 1875 bởi Hisashige Tanaka, người được tôn vinh khắp Nhật Bản là "thiên tài của những kỳ quan cơ khí". Đến năm 2025, công ty vẫn phát triển tốt.

Theo tạp chí Điện tử và Ứng dụng