Kỷ lục về khoảng cách của mật mã lượng tử

Hình 1. Sơ đồ mô tả thiết kế của Boaron và các cộng sự để thực hiện phân phối khóa lượng tử với khoảng cách kỷ lục 421 km. Thiết kế này sử dụng sợi quang có độ tiêu hao siêu thấp (ULL fiber), hệ thống quang-điện với tốc độ lặp cao (2,5 GHz) và thiết bị dò photon nhiễu thấp dựa trên các đầu dò đơn photon siêu dẫn (SNSPD).

Bảo mật dữ liệu là vô cùng quan trọng trong cộng đồng mạng của chúng ta. Một trong những giải pháp nhiều hứa hẹn nhất để bảo mật thông tin liên lạc là vận dụng các kỹ thuật mã hóa dựa trên các định luật cơ bản của cơ học lượng tử. Để phân phối khóa lượng tử giữa hai đối tác (Alice và Bob), các photon được sử dụng để chia sẻ khóa mã hóa với độ bảo mật tuyệt đối, vì bất kỳ người nghe lén nào (Eve) đều không thể trích xuất thông tin từ các photon mà không bị phát hiện. Công nghệ về phân phối khóa lượng tử đã tiến bộ rất nhanh trong thập kỷ vừa qua: các hệ thống phân phối khóa lượng tử đã được các ngân hàng, các chính phủ kiểm nghiệm, thậm chí còn được triển khai tại World Cup 2010 ở Nam Phi. Trong năm 2017, các nhà nghiên cứu đã tổ chức thành công một hội nghị trực tuyến qua video được bảo mật bởi giao thức phân phối khóa lượng tử giữa Trung Quốc và Áo thông qua vệ tinh lượng tử Micius (Mặc Tử) như một trạm chung chuyển tin cậy1. 

Để có giải pháp khả thi về mặt thương mại thay cho mật mã thông thường, các nghiên cứu tập trung vào việc làm sao cho giao thức phân phối khóa lượng tử có giá thành rẻ hơn và thực tế hơn, cũng như có thể làm việc được trong phạm vi rộng hơn với tốc độ truyền khóa mã hóa nhanh hơn. Mới đây, Alberto Boaron từ Đại học Geneva và các đồng nghiệp đã thiết lập một kỷ lục mới về khoảng cách (421 km) 2 cho phân phối khóa lượng tử thông qua sợi quang. Mặc dù đây chỉ là một sự cải thiện khoảng cách khiêm tốn so với kỷ lục đã đạt được trước đó (404 km) 3, thiết kế mới của Boaron và các đồng nghiệp có khả năng trao đổi khóa mã hóa với tốc độ nhanh hơn nhiều - một điểm quan trọng đối với các ứng dụng. Tuy nhiên, thiết kế trước đó với khoảng cách 404 km có liên quan đến một phiên bản phân phối khóa lượng tử, được gọi là phân phối khóa lượng tử không phụ thuộc thiết bị đo; phiên bản này đạt được một mức bảo mật thực tế cao hơn.

Kể từ khi giao thức phân phối khóa lượng tử đầu tiên với khoảng cách của một băng ghế quang học chỉ dài 32 cm 4 được trình diễn, việc mở rộng phạm vi phân phối khóa lượng tử đã là một mục tiêu nghiên cứu thiết yếu. Trở ngại chính là ở chỗ trên thực tế hầu hết các photon dùng trong giao thức phân phối khóa lượng tử hoặc bị tán xạ hoặc bị hấp thụ trước khi đến được máy thu. Cụ thể, trong một sợi quang tiêu chuẩn hiện thời, cơ hội sống sót đến được đầu thu của một photon là 10% sau khi truyền được 50 km và giảm xuống chỉ còn 0,01% khi quãng đường truyền tăng lên thành 200 km. Hậu quả là giao thức phân phối khóa lượng tử bị thất bại vì các bộ lặp quang chuẩn không thể tái tạo tín hiệu lượng tử một cách trung thực, còn các bộ lặp quang lượng tử thì vẫn còn nằm ngoài phạm vi tiếp cận của công nghệ hiện nay. Mặc dù vậy, phân phối khóa lượng tử thông qua sợi quang đã được trình diễn giữa các mốc khoảng cách là 240 km 5, 307 km 6, … và bây giờ là 421 km 2. 

Những kết quả này đạt được là nhờ vào sự sẵn có của các sợi quang với độ tiêu hao cực thấp và các hệ thống vận hành phân phối khóa lượng tử với tốc độ cao. Ngay cả khi độ mất mát của tín hiệu là lớn, tốc độ đếm photon trong máy dò của Bob vẫn có thể vượt quá một nghìn lần mỗi giây nếu hàng tỷ photon được truyền mỗi giây. Một yếu tố quan trọng khác là sự tiến bộ trong việc giảm nhiễu của máy dò. Nếu mức độ nhiễu là cực thấp, tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm có thể đủ cao để cho phép Bob dịch tất cả các tín hiệu mà anh dò được thành các bit bảo mật của khóa mã hóa cuối cùng. Bob chỉ mất công đợi đủ lâu nếu muốn có một khóa bí mật đủ dài. Tuy nhiên, nhiễu của máy dò vẫn là một yếu tố hạn chế đáng kể. Các máy dò cảm ứng nhiệt gây ra các sự cố dò sai (gọi là “đếm trong bóng tối”: máy vẫn “nháy” báo hiệu là dò được tín hiệu khi thực tế không hề có tín hiệu nào đến đầu dò). Vì tín hiệu suy giảm nhanh theo hàm mũ đối với khoảng cách, trong khi sự cố “đếm trong bóng tối” của máy dò không phụ thuộc khoảng cách, nên ở một khoảng cách nhất định, tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm trở nên quá nhỏ và tốc độ truyền khóa mã hóa của hệ thống phân phối khóa lượng tử giảm xuống bằng 0, đồng nghĩa với thất bại.

Nhắm mục tiêu vào nhiễu của máy dò là thành phần chính làm nên thành công của Boaron và đồng nghiệp. Các xung ánh sáng ở bước sóng 1550 nm được Alice  truyền qua hàng trăm km của sợi quang và được Bob dò bằng các đầu dò đơn photon dùng dây nano siêu dẫn (Hình 1). Mỗi thiết bị nhạy cảm này được làm từ một dây nano siêu dẫn dài được sắp xếp theo mô hình xoắn ốc trên một bề mặt phẳng. Để giảm sự cố “đếm trong bóng tối” của các máy dò, nhóm nghiên cứu đã làm lạnh chúng xuống 0,8 K và sử dụng một bộ lọc sợi được làm nguội đến 40 K nhằm loại bỏ phát xạ vật đen của sợi quang kết nối với các máy dò. Những biện pháp như thế  làm giảm một cách ấn tượng tốc độ của sự cố “đếm trong bóng tối” đến 0,1 Hz, khoảng 2 bậc về độ lớn thấp hơn so với các máy đếm thương mại. Với các “tiểu xảo” kỹ thuật này, xác suất xảy ra sự cố “đếm trong bóng tối” khi có một photon đến được hạ xuống chỉ còn 10-11.

Nhờ xác suất thấp của sự cố “đếm trong bóng tối” của các máy dò và nhờ việc sử dụng sợi quang có độ tiêu hao cực thấp, kết hợp với việc sửa đổi một giao thức chịu tổn thất 7, nhóm nghiên cứu đã đạt được một quá trình phân phối khóa lượng tử đường dài tốt nhất từ trước tới nay thông qua sợi quang. Với các sợi quang có chiều dài từ 251 đến 404 km, tốc độ thiết lập khóa mã hóa cao hơn 100 lần so với các cuộc trình diễn trước đó với cùng những khoảng cách như nhau, và chúng vẫn vượt trội tới một khoảng cách kỷ lục là 421 km. Sự gia tăng tốc độ tạo khóa mã hóa được đảm bảo bởi một thiết kế do chính Boaron và các đồng nghiệp phát triển gần đây. Điều này đã thiết lập được một trong những tốc độ lặp cao nhất (2,5 GHz) từng được sử dụng trong các thí nghiệm về phân phối khóa lượng tử. Các nhà nghiên cứu cũng đã chứng minh được sự ổn định của hệ thống bằng cách vận hành nó trong hơn 24 giờ.

Để đánh giá kết quả của Boaron và các cộng sự cũng như triển vọng của các cải tiến trong tương lai, cần so sánh kỷ lục mới đạt được với các kỷ lục đã đạt được trước đó 3 theo kỹ thuật phân phối khóa lượng tử không phụ thuộc thiết bị đo, một kỹ thuật được phát triển để khắc phục tất cả các lỗ hổng bảo mật tiềm ẩn của đầu thu. Kỹ thuật phân phối khóa lượng tử không phụ thuộc thiết bị đo cần đến một bên thứ ba (Charlie), người “đóng đô” ở giữa kênh truyền thông và đo các photon được gửi bởi Alice và Bob rồi công khai công bố các kết quả đo của mình. Charlie không nhất thiết phải là người đáng tin cậy vì các định luật của cơ học lượng tử không cho phép anh ăn cắp khóa bí mật của Alice và Bob. Có thể chứng tỏ được rằng sự hiện diện của một trạm đo trung gian (Charlie) làm giảm đáng kể mức độ nhiễu do sự cố “đếm trong bóng tối” gây ra. Điều này dẫn đến một tuyên bố trong một hội nghị ở Tokyo năm 2015 rằng kỹ thuật phân phối khóa lượng tử không phụ thuộc thiết bị đo có thể đạt được khoảng cách dài hơn so với kỹ thuật phân phối khóa lượng tử thông thường. Thí nghiệm dùng kỹ thuật phân phối khóa lượng tử không phụ thuộc thiết bị đo trên khoảng cách 404 km được thực hiện trong năm 2016 3 dường như hỗ trợ tuyên bố này. 

Nhưng bây giờ công trình của Boaron và các đồng nghiệp lại thách thức nó một lần nữa. Vậy giao thức nào trong hai giao thức nêu trên là tiềm năng hơn cho mật mã lượng tử áp dụng cho khoảng cách dài? Giả sử các điều kiện đối với sợi quang (loại có độ tiêu hao cực thấp) là y như nhau, một phân tích chi tiết cho thấy rằng đây là một cuộc đua cực kỳ gay cấn. Lý thuyết cho thấy, về nguyên tắc, kỹ thuật phân phối khóa lượng tử không phụ thuộc thiết bị đo có một lợi thế về tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm, nhưng thiết kế phức tạp mà thực tế đòi hỏi có thể làm mất lợi thế này. Kỹ thuật phân phối khóa lượng tử thông thường dựa trên triển khai thiết bị đơn giản hơn, có thể có tốc độ cao hơn và có thể dò tin hiệu hiệu quả hơn.

Điều quan trọng cần nhấn mạnh là sự so sánh giữa kỹ thuật thông thường và kỹ thuật không phụ thuộc thiết bị đo cho phân phối khóa lượng tử phải là một phân tích đầy đủ bao gồm mọi khía cạnh bảo mật. Kỹ thuật phân phối khóa lượng tử không phụ thuộc thiết bị đo bảo đảm độ an ninh cao hơn so với kỹ thuật thông thường, đặc biệt trong việc chống lại các cuộc tấn công nhắm vào các thiết bị dò tìm của Bob 8 và các thành phần khác như bộ tách chùm mà Boaron và các cộng sự sử dụng trong việc lựa chọn cơ sở thụ động 9. Tuy nhiên, các tác giả chỉ mới phân tích tính bảo mật đối với các kiểu tấn công “tập thể”, không phải là loại tấn công chung nhất 3, 5. Một cách khả dĩ để kéo dài thêm khoảng cách mà vẫn giữ được sự đảm bảo an ninh giống như trong kỹ thuật phân phối khóa lượng tử không phụ thuộc thiết bị đo là vận dụng kỹ thuật “trường sinh đôi” 10, một kỹ thuật mới được đề xuất tích hợp được các tính năng tốt nhất của cả kỹ thuật thông thường và kỹ thuật không phụ thuộc thiết bị đo mà không làm tăng đáng kể dộ phức tạp của thiết kế.

Cuối cùng, ứng dụng cụ thể sẽ quyết định giao thức nào sẽ đáp ứng các nhu cầu cần thiết về mặt an ninh, khoảng cách và tốc độ thiết lập khóa mã hóa. Các kết quả gần đây về phân phối khóa lượng tử đường dài cung cấp các tùy chọn thuyết phục mà người dùng tiềm năng có thể sử dụng cho các ứng dụng như điện thoại kỹ thuật số trong các mạng đô thị.

Kỷ lục về khoảng cách 421 km của mật mã lượng tử đã được công bố trong tạp chí Phys. Rev. Lett. 121, 190502 vào ngày 5//11/2018. Tác giả của bài viết giới thiệu này là Marco Lucamarini, nghiên cứu viên cao cấp tại Toshiba Research Europe ở Cambridge, Vương quốc Anh. □

Nguyễn Bá Ân dịch

Nguồn: https://physics.aps.org/articles/v11/111?utm_campaign=weekly&utm_medium=email&utm_source=emailalert

---------

Tài liệu tham khảo

1. S.-K. Liao et al., “Satellite-relayed intercontinental quantum network,” Phys. Rev. Lett. 120, 030501 (2018).

2. A. Boaron et al., “Secure quantum key distribution over 421 km of optical fiber,” Phys. Rev. Lett. 121, 190502 (2018).

3. H.-L. Yin et al., “Measurement-device-independent quantum key distribution over a 404 km optical fiber,” Phys. Rev. Lett. 117, 190501 (2016).

4. C. H. Bennett, F. Bessette, G. Brassard, L. Salvail, and J. Smolin, “Experimental quantum cryptography,” J. Cryptol. 5, 3 (1992).

5. B. Fröhlich, M. Lucamarini, J. F. Dynes, L. C. Comandar, W. W.-S. Tam, A. Plews, A. W. Sharpe, Z. Yuan, and A. J. Shields, “Long-distance quantum key distribution secure against coherent attacks,” Optica 4, 163 (2017).

6. B. Korzh, C. C. W. Lim, R. Houlmann, N. Gisin, M. J. Li, D. Nolan, B. Sanguinetti, R. Thew, and H. Zbinden, “Provably secure and practical quantum key distribution over 307 km of optical fibre,” Nat. Photon. 9, 163 (2015).

7. K. Tamaki, M. Curty, G. Kato, H.-K. Lo, and K. Azuma, “Loss-tolerant quantum cryptography with imperfect sources,” Phys. Rev. A 90, 052314 (2014).

8. V. Makarov, A. Anisimov, and J. Skaar, “Effects of detector efficiency mismatch on security of quantum cryptosystems,” Phys. Rev. A 74, 022313 (2006).

9. H.-W. Li et al., “Attacking a practical quantum-key-distribution system with wavelength-dependent beam-splitter and multiwavelength sources,” Phys. Rev. A 84, 062308 (2011).

10. M. Lucamarini, Z. L. Yuan, J. F. Dynes, and A. J. Shields, “Overcoming the rate–distance limit of quantum key distribution without quantum repeaters,” Nature 557, 400 (2018).