Kỳ tích lượng tử: Kết nối hai 'bộ nhớ' qua 420 km cáp quang

Ba đột phá kỹ thuật giúp biến điều không thể thành có thể

1. Chuyển đổi bước sóng sang băng tần viễn thông — Các photon phát ra từ bộ nhớ rubidi được chuyển đổi bước sóng sang băng tần S (S-band) trong vùng viễn thông (khoảng 1.5 μm) thông qua quá trình chuyển đổi tần số lượng tử. Điều này cho phép tín hiệu truyền qua cáp quang với mức suy hao cực thấp, chỉ khoảng 0,17 dB/km .
2. Hệ thống ổn định sợi quang chủ động — Một hệ thống phản hồi thời gian thực đã được phát triển để bù đắp cho các biến động pha trong các đường cáp quang dài. Hệ thống này duy trì độ ổn định giao thoa (interference visibility) trên toàn bộ chặng đường 420 km .
3. Giao thức rối đơn photon DLCZ — Thay vì phải dựa vào sự trùng hợp của hai photon, phương pháp này chỉ cần phát hiện một photon duy nhất từ mỗi nút bộ nhớ. Điều này đã cải thiện đáng kể tốc độ tạo rối loạn ở khoảng cách xa .

Vượt qua giới hạn PLOB — 'Rào chắn' lý thuyết

• Giới hạn PLOB (viết tắt của Pirandola–Laurenza–Ottaviani–Banchi) là một giới hạn cơ bản trong vật lý lượng tử. Nó quy định tốc độ tối đa mà rối lượng tử có thể được phân phối qua một kênh truyền có suy hao (như cáp quang) mà không cần đến các bộ lặp lượng tử .
• Nhóm nghiên cứu đã chứng minh rằng xác suất tạo rối loạn giữa hai bộ nhớ của họ vượt qua giới hạn PLOB đối với khoảng cách lớn hơn khoảng 230–320 km cáp quang trực tiếp . Điều này có nghĩa là, vượt qua một ngưỡng khoảng cách nhất định, một mạng lưới lượng tử sử dụng bộ nhớ lượng tử có thể đạt được tốc độ rối loạn cao hơn bất kỳ kết nối cáp quang trực tiếp nào. Đây là bằng chứng thực nghiệm đầu tiên cho thấy lợi thế của bộ nhớ lượng tử khi đóng vai trò là các nút lặp .

Ý nghĩa cho tương lai của Internet lượng tử

• Đây là lần đầu tiên trong lịch sử, một thí nghiệm đã chứng minh rằng một mạng lượng tử dựa trên bộ nhớ có thể đánh bại giới hạn cơ bản của truyền dẫn không lặp, qua đó xác thực một tiền đề then chốt của các kiến trúc bộ lặp lượng tử .
• Thành tựu này thu hẹp khoảng cách từ các mạng lượng tử quy mô đô thị (hàng chục km) lên quy mô liên tỉnh (hàng trăm km). Nó cho thấy thông tin lượng tử được lưu trữ có thể được rối loạn một cách đáng tin cậy qua những khoảng cách đủ để kết nối các thành phố với nhau .
• Nghiên cứu này đặt một nền tảng thực tế vững chắc để xây dựng các bộ lặp lượng tử có thể mở rộng, dựa trên bộ nhớ, một ngày nào đó sẽ trở thành xương sống của một mạng Internet lượng tử toàn cầu. Điều này sẽ mở ra các ứng dụng như phân phối khóa lượng tử (QKD) tầm xa, điện toán lượng tử phân tán và truyền thông lượng tử an toàn tuyệt đối .