Một buổi chiều tháng 10/1979 trên bãi biển San Juan (Puerto Rico), cuộc gặp gỡ tình cờ giữa Gilles Brassard và một người lạ đã trở thành bước ngoặt của khoa học hiện đại. Khi đang bơi, Brassard bất ngờ được nghe về ý tưởng tạo ra một loại tiền “không thể làm giả” dựa trên vật lý lượng tử, lĩnh vực khi đó ông chưa từng tiếp cận.
Từ hoài nghi, ông nhanh chóng nhận ra đây là một hướng nghiên cứu nghiêm túc. Người lạ ấy là Charles Bennett, nhà vật lý theo đuổi mối liên hệ giữa vật lý và lý thuyết thông tin. Cuộc trò chuyện ngắn ngủi đã mở đầu cho một cuộc hợp tác có ảnh hưởng sâu rộng, góp phần khai sinh khoa học thông tin lượng tử và thúc đẩy những tiến bộ quan trọng trong công nghệ cũng như nhận thức về mối liên hệ giữa vật lý và thông tin.
Gần nửa thế kỷ sau, Bennett và Brassard được trao giải A.M. Turing - một trong những vinh dự cao nhất của ngành điện toán cho vai trò nền tảng trong việc định hình lĩnh vực này, cùng giải thưởng trị giá 1 triệu USD.
Hiện nay, khoa học thông tin lượng tử đã phát triển mạnh mẽ với hàng nghìn nhà nghiên cứu, nhưng trước giữa những năm 1990, đây vẫn chỉ là một cộng đồng nhỏ bên lề. Bennett và Brassard chính là những người tiên phong kiên trì theo đuổi và định hình hướng đi đó.
Một dạng tiền tệ chưa từng có
Việc Bennett và Brassard cùng xuất hiện tại Puerto Rico không phải là ngẫu nhiên. Cả hai đều tham dự một hội nghị về khoa học máy tính lý thuyết, dù hành trình học thuật của họ rất khác nhau.
Brassard sinh năm 1955 tại Montreal, sớm bộc lộ năng khiếu toán học, vào đại học từ năm 13 tuổi và nhận bằng tiến sĩ khi mới 24. Ông đến hội nghị để trình bày nghiên cứu về nền tảng toán học của mật mã học. Trong khi đó, Bennett sinh năm 1943 tại New York, ban đầu theo học hóa sinh trước khi chuyển sang nghiên cứu sự giao thoa giữa hóa học và vật lý tại Đại học Harvard. Tại đây, ông bắt đầu quan tâm đến mối liên hệ giữa vật lý và tính toán, một ý tưởng còn rất xa lạ vào thời điểm đó.
 |
| Ảnh chụp năm 1994 của sáu nhà khoa học phát minh ra dịch chuyển lượng tử. Theo chiều kim đồng hồ từ trên trái: Richard Jozsa, William Wootters, Charles Bennett, Asher Peres, Claude Crépeau, Gilles Brassard. |
“Tiền lượng tử” mà Bennett chia sẻ với Brassard thực chất bắt nguồn từ công trình của một người bạn tên Stephen Wiesner vào cuối những năm 1960. Ý tưởng của Wiesner xuất phát từ một yêu cầu cốt lõi của mọi loại tiền tệ: phải cực kỳ khó để làm giả. Việc gán cho mỗi tờ tiền một số sê-ri riêng là chưa đủ, bởi về nguyên tắc, bất kỳ ai cũng có thể đọc và sao chép dãy số đó. Chính vì vậy, các chính phủ buộc phải dựa vào những công nghệ ngày càng tinh vi nhằm ngăn chặn nạn tiền giả.
Wiesner đề xuất sử dụng các trạng thái lượng tử của hạt để mã hóa thông tin, dựa trên một đặc tính quan trọng: việc đo một trạng thái lượng tử có thể làm thay đổi nó, khiến thông tin ban đầu bị mất đi. Theo đó, mỗi “tờ tiền” sẽ chứa các hạt ở trạng thái lượng tử khác nhau, mã hóa một số sê-ri duy nhất. Bất kỳ nỗ lực đo lường nào nhằm sao chép thông tin đều có nguy cơ làm biến đổi trạng thái này, khiến việc làm giả gần như không thể thực hiện.
 |
| Stephen Wiesner - người đề xuất mô hình “tiền lượng tử” đầu tiên trong một bức ảnh năm 1970. |
Dù mang tính đột phá, ý tưởng của Wiesner không được công bố rộng rãi trong nhiều năm. Bennett là một trong số ít người nhận ra tiềm năng của nó và kiên trì theo đuổi, cho đến khi gặp Brassard.
Những bí mật lượng tử
Ngay trong lần trao đổi đầu tiên, Brassard đã chỉ ra một hạn chế lớn của “tiền lượng tử”: dù gần như không thể làm giả, nó lại khó đưa vào sử dụng, bởi chỉ người phát hành mới có thể kiểm chứng tính hợp lệ. Ông gợi ý có thể khắc phục điểm này bằng cách đưa các nguyên lý của Wiesner kết hợp với kỹ thuật mật mã học. Từ đó, hai nhà khoa học nhanh chóng phát triển hướng tiếp cận chung, và chỉ trong thời gian ngắn đã định hình những nền tảng cho công trình hợp tác đầu tiên.
Sau lần gặp gỡ định mệnh, Bennett và Brassard vẫn duy trì trao đổi học thuật, dù khi đó nghiên cứu về thông tin lượng tử chưa phải công việc chính của họ. Từ những cuộc thảo luận rời rạc, họ dần chuyển sang một câu hỏi cụ thể hơn: liệu có thể khai thác chính sự “nhiễu loạn” của phép đo lượng tử để bảo vệ thông tin trước nguy cơ bị nghe lén?
Vào thời điểm đó, giới mật mã học đã có một phương pháp mã hóa an toàn tuyệt đối về nguyên lý, nhưng lại đòi hỏi hai bên phải gặp trực tiếp để chia sẻ khóa và dùng khóa riêng cho từng thông điệp, khiến nó khó áp dụng trong thực tế. Trong khi đó, các hệ mã hóa phổ biến hơn tuy tiện lợi nhưng lại dựa vào giả định về độ khó của các bài toán toán học, vốn không đảm bảo an toàn tuyệt đối về lâu dài.
Trong bối cảnh đó, năm 1983, Bennett và Brassard đưa ra một hướng đi mới, sau này được biết đến với tên gọi BB84. Thay vì phải trao đổi khóa trực tiếp, hai bên liên lạc có thể thiết lập một khóa bí mật chung thông qua việc gửi và đo các photon, những hạt cơ bản của ánh sáng, trên một kênh lượng tử, mà không cần gặp mặt.
 |
Ảnh minh họa bảo mật lượng tử. |
Điểm cốt lõi của phương pháp nằm ở chính đặc tính của phép đo lượng tử: bất kỳ nỗ lực nghe lén nào cũng sẽ làm xáo trộn trạng thái của các photon đang được truyền. Điều này khiến kẻ xâm nhập không những không thể thu được thông tin hữu ích, mà còn để lộ dấu vết cho hai bên liên lạc. Nhờ đó, BB84 vừa đảm bảo tính bảo mật, vừa cho phép phát hiện hành vi nghe lén. Đáng chú ý, cơ chế này không phụ thuộc vào bất kỳ giả định toán học nào. Ngay cả trong kịch bản một kẻ tấn công có thể giải được những bài toán khó nhất, khóa bí mật vẫn được giữ an toàn.
Bước tiến bằng “dịch chuyển lượng tử”
Dù mang ý nghĩa lớn, công trình về phân phối khóa lượng tử ban đầu không thu hút nhiều sự chú ý. Vì vậy, Bennett và Brassard quyết định tự tiến hành thí nghiệm để chứng minh tính khả thi.
Với nguồn lực hạn chế, họ phải sử dụng những giải pháp đơn giản, thậm chí là ứng biến. Đến tháng 10/1989, tròn 10 năm sau lần gặp đầu tiên, họ đã thành công trong việc truyền khóa lượng tử ở khoảng cách 30 cm. Từ bước khởi đầu khiêm tốn này, công nghệ hiện đã được triển khai trên quy mô hàng nghìn km thông qua vệ tinh, trong đó các thử nghiệm qua vệ tinh gần đây đạt khoảng cách hơn 1.000 km.
Năm 1993, Bennett, Brassard và các cộng sự tiếp tục công bố công trình về “dịch chuyển lượng tử”, cho phép truyền trạng thái của một hạt sang hạt khác thông qua một hiện tượng lượng tử kỳ lạ gọi là vướng mắc lượng tử. Đây là một bước tiến quan trọng trong việc khai thác các hiệu ứng lượng tử cho xử lý thông tin.
Thời điểm này, khoa học thông tin lượng tử bắt đầu thu hút chú ý và nhanh chóng tăng tốc. Năm 1994, nhà toán học Peter Shor công bố một thuật toán lượng tử có thể nhanh chóng phân tích số lớn thành thừa số nguyên tố - điều vốn được xem là bất khả thi với máy tính truyền thống. Bước ngoặt này đặt ra nhu cầu cấp thiết về các phương thức bảo mật không phụ thuộc vào giả định toán học.
Ba thập kỷ sau, lĩnh vực này chứng kiến làn sóng đầu tư và nghiên cứu bùng nổ. Các phòng thí nghiệm trên khắp thế giới chạy đua phát triển máy tính lượng tử, đồng thời hé lộ những liên hệ ngày càng sâu sắc với các vấn đề nền tảng của vật lý. Mật mã lượng tử cũng bước sang một giai đoạn mới: từ chỗ chỉ phục vụ những ứng dụng đặc thù như phân phối khóa, các nghiên cứu gần đây cho thấy tiềm năng của nó có thể mở rộng đáng kể. Bennett và Brassard vẫn theo dõi sát sao những chuyển động này.
“Đó là một ý tưởng rất hấp dẫn”, Bennett nói. “Có thể đây sẽ là cách “giải cứu lượng tử” trước chính thách thức mà thuật toán Shor tạo ra”.
Như vậy, từ một cuộc gặp gỡ tình cờ trên bãi biển, Bennett và Brassard đã góp phần mở ra một hướng đi mới, nơi thông tin và vật lý không còn tách rời, mà hội tụ trong những nguyên lý cơ bản nhất của tự nhiên.
Theo Quanta Magazine
