Hình: Truyền tín hiệu ở khoảng cách xa: Những photon lượng tử được gửi đi từ một nguồn sáng ở La Palma tới một đài quan sát ở Tenerife với khoảng cách 144 km.

Các nhà khoa học Châu Âu vừa phá kỷ lục về khoảng cách gửi thông tin lượng tử, mở đường cho một hệ thống dựa vào những định luật vật lý để thực hiện truyền thông không bị nghe trộm. Nếu như tăng được khoảng cách truyền tín hiệu thêm chút nữa họ sẽ có thể sử dụng vệ tinh để truyền dữ liệu an toàn đi khắp nơi trên thế giới.
Nhóm các nhà khoa học đã sử dụng những nguyên tắc cơ học lượng tử để tạo đồng thời một khóa mật mã ở hai địa điểm: một ở một phòng thí nghiệm tại La Palma, thuộc đảo Canary và một ở đài quan sát thiên văn trên hòn đảo Tenerife, cách nơi nhận 144 km. Khóa mật mã này có thể được sử dụng để mã hóa dữ liệu mà chỉ người gửi và người nhận mới có thể giải mã.
Ông Anton Zeilinger - Giáo sư vật lý, Viện vật lý thực nghiệm thuộc trường Đại học Vienna, Áo cho biết: “Chúng tôi muốn biết liệu có thể xây dựng hệ thống truyền thông lượng tử, mật mã lượng tử trên toàn thế giới hay không”. Nhóm của ông cùng với một nhóm khác do Harald Weinfurter thuộc Viện quang lượng tử Max Planck dẫn đầu đã công bố những kết quả nghiên cứu của nhóm vào ngày 6/3/2007 trên Tạp chí Nature Physics.
Để tạo khóa, trước hết, nhóm phải tạo những cặp photon vướng víu lượng tử với nhau. Sự vướng víu mà Albert Einstein gọi là “Phép thuật ở một khoảng cách”, có nghĩa là trạng thái của một photon bị phụ thuộc vào trạng thái của photon khác có vướng víu lượng tử với nó. Phép đo bất kỳ thuộc tính cơ học lượng tử lên một photon sẽ tự động làm thay đổi thuộc tính tương tự trong photon có vướng víu lượng tử với nó, không phụ thuộc vào khoảng cách giữa chúng.
Trong trường hợp này, nhóm đã đo phân cực photon. Có thể phân cực ánh sáng theo bất kỳ hướng nào; ví dụ phép đo hướng những sóng ánh sáng dao động theo tung độ hoặc hoành độ. Họ đã tạo ra những cặp photon vướng víu lượng tử với nhau bằng cách đốt nóng chùm laser mạnh qua một mặt kính. Đối với mỗi photon đầu vào, sẽ tạo ra hai photon yếu hơn vướng víu lượng tử với nhau ở đầu ra. Họ đã lấy một trong hai photon này ra khỏi mặt kính và gửi nó tới một bộ tách sóng ánh sáng cục bộ La Palma. Họ gửi photon còn lại qua một thấu kính và chiếu qua mặt nước sang đầu bên kia, ở đó một kính viễn vọng trên đảo Tenerife thu được và gửi nó tới một bộ tách sóng ánh sáng thứ hai.
Zeilinger nói: “Tôi có hai photon này và nếu như tôi đo chúng ở cả hai đầu và hỏi chúng bị phân cực theo tung độ hay hoành độ? - một lựa chọn nhị phân - chúng sẽ cho một câu trả lời ngẫu nhiên. Tuy nhiên do tính vướng víu lượng tử, cả hai đầu sẽ cho cùng câu trả lời. Ở cả hai đầu bạn sẽ nhận được 0 hoặc ở cả hai đầu bạn sẽ nhận được 1”.
Mỗi khi bộ tách sóng ánh sáng thu được một photon và đo sự phân cực của nó, được tính là một bit. Một photon bị phân cực theo một hướng là 1, một photon bị phân cực theo hướng ngược lại là 0. Cộng các bit lại với nhau sẽ cho ra một khóa mã hóa. Và không thể trộm được khóa này nếu như thiếu kiến thức của những người sử dụng nó. Nếu như ai đó chặn bắt những photon truyền đi, anh ta phải thực hiện phép đo trên chúng, sau đó gửi chúng tới nơi nhận. Tuy nhiên, hoạt động đo này đã làm thay đổi những thuộc tính cơ học lượng tử của chúng, do vậy ngay lập tức anh ta sẽ bị phát hiện.
Jeffrey Shapiro thuộc nhóm truyền thông quang học và lượng tử của viện MIT cho hay, những khóa  mã hóa được sử dụng ngày nay dựa vào sự tin tưởng rằng phải mất một lượng tính toán khổng lồ mới phá được chúng. Tuy nhiên, nếu như ai đó phát minh ra một máy tính lượng tử có khả năng xử lý cực lớn thì lợi thế này sẽ không còn. Ngoài ra, những chuỗi số ngẫu nhiên được tạo dùng làm những khóa mã hóa hiện nay không hoàn toàn ngẫu nhiên. Chúng được tạo ra bằng những thuật toán và một thám mã thiện nghệ có thể tìm ra thuật toán tạo ra chúng. Tuy nhiên, những bit lượng tử hoàn toàn không thể đoán được, do vậy khóa được xây dựng dựa trên cơ sở lượng tử là không thể phá được. Điều này rất có ích khi ứng dụng trong những lĩnh vực có nhiều thông tin nhạy cảm.
Kết quả tốt nhất những nhà nghiên cứu này làm được trước đó là họ đã dò được những photon vướng víu lượng tử với nhau ở khoảng cách khoảng 10 km. Để tăng khoảng cách truyền, nhóm của Zeilinger đã chuyển chùm tia laser phát ra từ một nguồn sáng thành những xung thay cho một chùm liên tục. Laser dạng xung này chỉ có tốc độ lặp 249 megahertz - thấp hơn nhiều so với những laser 10 gigahertz thường được sử dụng trong những mạng truyền quang, giới hạn lượng tín hiệu có thể truyền trong một chu kỳ thời gian. Những laser dạng xung cũng không tốt bằng laser liên tục khi tạo vướng víu lượng tử. Tuy nhiên nó gần gũi hơn và nó cho phép những thành viên trong nhóm có thể kiểm soát chúng được nhiều hơn khi tạo những photon, giúp họ tách rời được những photon mà họ muốn từ ánh sáng lạc hướng ở bộ tách sóng, do đó họ có thể đọc được tín hiệu một cách tin cậy hơn. Những nhà nghiên cứu cũng phải giải quyết vấn đề nhiễu khí quyển làm thay đổi đường đi của photon. Họ đã sử dụng một hệ thống tự động hóa để liên tục điều chỉnh kính viễn vọng thẳng hàng quan sát, mặc dù chùm sáng vẫn rọi đâu đó qua bộ tách sóng.
Zeilinger hy vọng, việc cải tiến những tia laser và những bộ tách sóng đủ để cho những liên kết không gian tự do làm việc được giữa những trạm mặt đất và những trạm vệ tinh, từ đó có thể gửi các khóa mật mã ở bất kỳ nơi nào trên trái đất đến bất kỳ đâu. Vì hầu hết những vệ tinh truyền thông chuyển động theo quỹ đạo ở độ cao từ 300 - 500 km, “với khoảng cách 144 km, chắc chắn chúng ta sẽ đạt đến đích đó” - Zeilinger nói.
Thực tế, nhóm đã đạt được khoảng cách đó trong không gian tự do “chắc chắn là rất quan trọng”, Prem Kumar, Giám đốc trung tâm máy tính và truyền thông lượng tử ánh sáng thuộc trường Đại học Northwestern cho hay. Ông đã gửi được những photon có vướng víu lượng tử với nhau qua sợi quang và đã thu được kết quả tốt ở những khoảng cách ngắn. Tuy nhiên, do sợi quang hấp thụ photon, nên không thể thực hiện được ở những khoảng cách lớn hơn từ 100 - 200 km, do đó không cho phép truyền đi trên khắp thế giới.