Vào năm 2012,
một nhóm các nhà nghiên cứu Nhật Bản và Đan Mạch đã lập kỷ lục thế giới,
truyền một petabit dữ liệu—
tương đương 10.000 giờ HD video (video có độ phân giải cao)—
chỉ trong một giây qua đoạn cáp dài 50 ki-lô-mét.
Không phải cáp thường.
Họ sử dụng một loại cáp quang đặc biệt,
một mạng lưới ngầm kết nối toàn thế giới
giúp internet hoạt động.
Trong nhiều thập kỷ,
liên lạc đường dài giữa các thành phố và quốc gia
được truyền tải bằng tín hiệu điện,
qua dây đồng.
Phương pháp này chậm và không hiệu quả
vì dây kim loại hạn chế tốc độ dữ liệu và gây hao tốn năng lượng do tỏa nhiệt.
Nhưng vào cuối thế kỷ 20,
các kỹ sư đã hoàn thiện một phương pháp truyền dẫn vượt trội.
Thay vì kim loại,
thủy tinh được cẩn thận nấu chảy và kéo thành sợi dẻo,
dài hàng trăm ki-lô-mét và mỏng hơn tóc người.
Và thay vì điện,
chúng mang theo xung ánh sáng chứa các dữ liệu số.
Làm thế nào ánh sáng chỉ truyền trong sợi thủy tinh mà không ra ngoài?
Bí quyết nằm ở hiện tượng phản xạ toàn phần.
Từ thời Isaac Newton,
những nhà làm kính và khoa học đã biết rằng ánh sáng bị khúc xạ
khi đi qua mặt phân cách giữa không khí và vật chất khác như nước hoặc thủy tinh.
Khi tia sáng bên trong thủy tinh chiếu vào mặt phân cách với một góc nghiêng lớn,
khi đi vào không khí, nó bị khúc xạ, hay bẻ cong.
Nhưng nếu chùm tia tới hẹp (góc tới lớn),
nó sẽ bị bẻ cong đến mức bị mắc kẹt lại trong thủy tinh,
truyền đi bên trong sợi.
Ở điều kiện thích hợp,
vật liệu vẫn luôn cho ánh sáng đi qua, giữ nó lại bên trong mình.
So với điện hoặc sóng vô tuyến,
tín hiệu sợi quang gần như không suy giảm khi truyền đi xa,
dù có chút năng lượng bị thất thoát,
và sợi quang không thể bị uốn quá cong
nếu không muốn ánh sáng bị truyền ra ngoài.
Ngày nay, một sợi quang có thể chứa nhiều bước sóng ánh sáng,
mỗi bước sóng là một kênh dữ liệu khác nhau.
Một sợi cáp quang chứa hàng trăm sợi quang.
Hơn một triệu ki-lô-mét cáp đan xen dưới đáy đại dương
kết nối các lục địa,
gần đủ dài để quấn quanh xích đạo ba mươi lần.
Với sợi quang, khoảng cách khó thể rào cản trong việc truyền dữ liệu,
cho phép internet trở thành một máy tính toàn cầu.
Càng ngày, các thiết bị di động của ta càng phụ thuộc vào hệ thống máy chủ,
được đặt ở các trung tâm dữ liệu khổng lồ khắp nơi trên thế giới.
Nó được gọi là điện toán đám mây,
và dẫn tới hai vấn đề lớn:
tản nhiệt và nhu cầu băng thông.
Phần lớn lưu lượng truy cập internet qua các trung tâm dữ liệu,
nơi hàng ngàn máy chủ được kết nối bằng cáp điện truyền thống.
Một nửa điện năng bị hao phí do thất thoát nhiệt.
Trong khi đó, nhu cầu băng thông không dây ngày càng tăng
và các tín hiệu gigahertz trong các thiết bị di động
sắp chạm đến giới hạn phân phối dữ liệu.
Có vẻ như sợi quang quá tốt nên đã tự gây ra trở ngại,
tạo ra nhiều kỳ vọng vào công nghệ, điện toán đám mây và điện toán di động.
Nhưng một công nghệ liên quan: tích hợp quang tử có thể trợ giúp.
Ánh sáng không chỉ có thể được truyền trong sợi quang,
mà còn trong sợi silicon siêu mỏng.
Dù không có khả năng truyền dẫn tốt như sợi quang,
chúng cho phép các kỹ sư
thu nhỏ mạng cáp quang hàng trăm ki-lô-mét
thành các chíp quang tử nhỏ, có thể cắm vào máy chủ,
chuyển đổi tín hiệu điện sang quang, và ngược lại.
Những con chíp chuyển đổi tín hiệu điện sang quang này
cho phép thay thế cáp điện ở trung tâm dữ liệu
thành dạng sợi có hiệu năng cao hơn.
Chíp quang tử còn có thể giúp phá vỡ các giới hạn băng thông không dây.
Các nhà nghiên cứu đang nỗ lực để chuyển tín hiệu di động từ gigahertz
sang tần số terahertz,
để tăng tốc độ truyền tải dữ liệu lên vài ngàn lần.
Nhưng đây là những tín hiệu tầm ngắn:
bị hấp thụ bởi độ ẩm trong không khí
hoặc bị chặn bởi các tòa nhà cao tầng.
Khi những con chíp không-dây-đến-sợi-quang nhỏ
có mặt khắp các thành phố,
tín hiệu terahertz có thể được truyền đi xa,
thông qua một vật liệu trung gian ổn định: cáp quang,
và biến kết nối không dây siêu tốc thành hiện thực.
Xuyên suốt lịch sử nhân loại,
ánh sáng đã ban tặng cho ta tầm nhìn và nhiệt lượng,
là người bạn trung thành trong quá trình khám phá và hiểu biết thế giới.
Hiện nay, ta dùng ánh sáng để mã hóa thông tin
và điều hướng nó dọc theo dây cáp quang siêu tốc
với nhiều ngõ ra quang tử tích hợp
để xây dựng thế giới ảo ngày một rộng lớn.