(Tiểu luận) đồ án môn học mạng không dây nângcao tìm hiểu truyền thông lượng tử

TRƯỜNG ĐẠI HỌC DUY TÂN KHOA SAU ĐẠI HỌC Đồ án mơn học MẠNG KHƠNG DÂY NÂNG CAO TÌM HIỂU TRUYỀN THÔNG LƯỢNG TỬ Thực : Võ Văn Thuận Bùi Thanh Tú Lớp : K24MCS.1 (Khoa học máy tính) Đà nẵng, 08/2022 Mục Lục Truyền thông lượng tử gì? Chính xác Photon gì? Định nghĩa 2 Thuộc tính photon .3 Sự thật photon Qubit gì? Định nghĩa Các trạng thái Qubit - khả mang thông tin vô hạn Trao đổi thông tin lượng tử Qubit Ưu nhược điểm Ưu điểm Nhược điểm Ứng dụng truyền thông lượng tử: .5 Hạ tầng truyền thông lượng tử .5 Tương lai truyền thông lượng tử Phân phối khóa lượng tử ( QKD ) gì? Mô tả Phương pháp mã hóa giải mã photon Bộ lặp lượng tử gì? .10 Giới thiệu 10 Mô tả 10 Viễn tải lượng tử gì? 10 Giới thiệu 10 Mô tả 10 Internet lượng tử gì? 11 Giới thiệu 11 Mô tả 11 Truyền thơng lượng tử gì? Ngày nay, liệu nhạy cảm thường mã hóa, sau gửi thơng qua cáp quang kênh khác với key ( chìa khóa ) kỹ thuật số cần thiết để giải mã thơng tin Dữ liệu khóa gửi dạng bit cổ điển dòng xung điện xung quang biểu thị Và điều khiến họ dễ bị cơng kích Các tin tặc tinh ranh đọc chép bit q trình chuyển tiếp mà khơng để lại dấu vết Truyền thơng lượng tử tận dụng quy luật vật lý lượng tử để bảo vệ liệu Các quy luật cho phép hạt lượng tử thường photon ánh sáng truyền liệu dọc theo cáp quang, tạo nên trạng thái chồng chập, chúng đại diện cho nhiều tổ hợp đồng thời Các hạt gọi bit lượng tử, Qubits Điểm tuyệt vời Qubit nhìn từ góc độ an ninh mạng hacker cố gắng thám chúng trình vận chuyển, trạng thái lượng tử siêu mảnh chúng “sụp đổ” xuống Hacker giả mạo Qubit mà không bỏ lại dấu hiệu Một số công ty tận dụng tính để tạo mạng truyền liệu có độ nhạy cao dựa quy trình gọi phân phối khóa lượng tử, QKD Về lý thuyết, mạng an tồn Chính xác Photon gì? Hãy tưởng tượng trục ánh sáng mặt trời màu vàng chiếu qua cửa sổ Theo vật lý lượng tử, chùm tia tạo thành từ mảng ánh sáng nhỏ, gọi photon, truyền khơng khí Nhưng xác photon gì? Định nghĩa Một photon lượng hay lượng tử xạ điện từ rời rạc nhỏ Nó đơn ánh sáng Các photon chuyển động chân không, truyền với tốc độ không đổi tất chiều quan sát 2,998 x 108 m/s Điều thường gọi tốc độ ánh sáng, ký hiệu chữ c Theo lý thuyết lượng tử ánh sáng Einstein, photon có lượng tần số dao động chúng nhân với số Planck Einstein chứng minh ánh sáng dòng photon, lượng photon độ cao tần số dao động chúng, cường độ ánh sáng tương ứng với số photon Về bản, ơng giải thích cách dịng photon hoạt động sóng hạt 2 Thuộc tính photon Các tính chất photon:  Chúng có khối lượng lượng nghỉ không Chúng tồn dạng hạt chuyển động  Chúng hạt thiếu khối lượng nghỉ  Chúng điện tích  Chúng ổn định  Chúng hạt spin-1 tạo nên chúng boson  Chúng mang theo lượng động lượng phụ thuộc vào tần số  Chúng có tương tác với hạt khác electron, chẳng hạn hiệu ứng Compton  Chúng bị phá hủy tạo nhiều q trình tự nhiên, ví dụ xạ hấp thụ phát  Khi không gian trống, chúng di chuyển với tốc độ ánh sáng Sự thật photon  Không ánh sáng tạo thành từ photon, mà tất lượng điện từ (tức vi sóng, sóng vơ tuyến, tia X) tạo thành từ photon  Khái niệm ban đầu photon phát triển Albert Einstein Tuy nhiên, nhà khoa học Gilbert N Lewis người sử dụng từ “photon” để mơ tả  Lý thuyết nói ánh sáng hoạt động giống sóng hạt gọi lý thuyết đối ngẫu sóng-hạt  Các photon ln trung hịa điện Chúng khơng có điện tích  Các photon khơng tự phân hủy Qubit gì? Định nghĩa Bit đơn vị thơng tin công nghệ truyền thông tin Mỗi bit mang giá trị hay dựa vào tín hiệu điện: khơng có Qubit - quantum bit có vài thuộc tính nhìn chung tồn diện khác Các khác biệt giúp cho Qubit có khả vượt trội Một Qubit, hay bit lượng tử, đơn vị thông tin lượng tử Thơng tin miêu tả hệ học lượng tử có trạng thái bản, thường ký hiệu |0> |1> Một trạng thái Qubit túy chồng chập lượng tử tuyến tính hai trạng thái Điều khác với bit thông tin cổ điển, nhận giá trị Các trạng thái Qubit - khả mang thông tin vô hạn Các trạng thái Qubit xác định dựa vào trạng thái |0> |1> Như nói, khác với bit cổ điển, Qubit khơng nhận giá trị ứng với trạng thái mà cịn nhận giá trị chồng chập tổ hợp tuyến tính trạng thái đó: |P> = a|0> + b|1> Với a, b số tỉ lệ với cường độ cửa trạng thái tổi hợp ứng với trạng thái tương ứng Chú ý rằng, theo điền kiện chuẩn hóa, ta có |a|2 + |b|2 = Theo hệ thức đó, ta thấy rằng, không gian trạng thái tổ hợp |P> đơn Qubit phương diện hình học biểu diễn mặt cầu, gọi mặt cầu Block Đây không gian chiều Như vậy, chất, điểm mặt cầu biểu diễn cho trạng thái Qubit Mà mặt cầu có vơ hạn điểm, đó, ta thấy khả biểu diễn thông tin lượng tử lên đến vô hạn bit cổ điển Trong đó, xét theo mơ hình này, bit cổ điển điểm nằm cực mặt cầu Trao đổi thông tin lượng tử Qubit Chúng ta biết, Qubit mang thông tin lượng tử Tuy nhiên, thông tin chứa nội khơng có giá trị Thơng tin phải trao đổi qua lại Qubit lĩnh vực tìm hiểu chế trao đổi thơng tin Qubit cách xử lý thông tin thu Sự khác biệt Qubit so với bit cổ điển, không biến thiên giá trị liên tục thơng qua chồng chập lượng tử, mà cịn chỗ lúc nhiều Qubit tồn liên hệ với qua tượng rối lượng tử (vướng víu lượng tử) Sự vướng víu xảy khoảng cách vĩ mô Qubit, cho phép chúng thể chồng chập lúc nhiều dãy ký tự (ví dụ chồng chập 01010 11111) Tính chất "song song lượng tử" mạnh máy tính lượng tử Document continues below Discover more Kỹ thuật from: thương mại… IS 381 Trường Đại Học… 16 documents Go to course Bài tập thực hành HTML Kỹ thuật thương mại… None On Tap Trac Nghiem 23 IS385 Kỹ thuật thương mại… None - las Kỹ thuật thương mại… None 3.bai tap web form laa Kỹ thuật thương mại… None Kinh te vi mi - laa Kỹ thuật thương mại… None De Cuong Cuoi Ki 21 laa thuật Bằng việc giải tích phân chuyển động ma trận mật độ, Kỹ áp dụng phép gần None đúng, người ta thấy biểu diễn trạng thái Qubit thương tự cònmại… chịu ảnh hưởng trạng thái Qubit khác Thành lập cụ thể phương trình cho ta chế truyền thông tin Qubit Việc giải phương trình cịn phải tính tới ảnh hưởng môi trường, ảnh hưởng chuỗi Qubit nhớ lượng tử thay Qubit Đây q trình khó khăn kết hợp sức người - "sức máy" mốc khởi đầu cho bạn trẻ bước chân vào nghiên cứu vật lý mà không cần thiết phải nghiện cứu nhiều từ kiến thức cũ Ưu nhược điểm Ưu điểm  Công nghệ đại  Bảo mật kỹ thuật cũ  Nhanh kỹ thuật cũ Nhược điểm  Rào cản kĩ thuật ( trình nghiên cứu phát triển)  Thiết bị hạ tầng chưa đáp ứng Ứng dụng truyền thông lượng tử:  Nổi tiếng thú vị bảo vệ kênh thông tin chống lại nghe phương tiện mã hóa lượng tử(Ứng dụng mã hóa lượng tử tiếng phát triển phân phối khóa lượng tử (QKD)  Truyền thông lượng tử thiết bị lượng tử  Viễn tải lượng tử  Mạng internet lượng tử ( có dây khơng dây) Hạ tầng truyền thông lượng tử  Bắt đầu có nhiều mạng QKD xuất Dài Trung Quốc, đường liên kết mặt đất dài 2.032 km (1.263 dặm) Bắc Kinh Thượng Hải Các ngân hàng cơng ty tài khác sử dụng để truyền liệu  Vệ tinh giới đưa Trung Quốc Rocket Long March-2D mắt ngày 16 tháng Tám năm 2016, theo "thí nghiệm lượng tử thang điểm từ vũ trụ."  Tại Mỹ, dự án khởi nghiệp gọi Quantum Xchange đạt thỏa thuận cung cấp cho họ quyền truy cập vào 500 dặm (805 km) cáp quang chạy dọc Bờ biển phía Đơng để tạo mạng QKD Chặng liên kết Manhattan với New Jersey, nơi có nhiều ngân hàng có trung tâm liệu lớn Tương lai truyền thông lượng tử  Trong tương lai, thông tin thay thông tin lượng tử, ký hiệu Qubit (dạng lượng tử bit số 0) liệu xử lý máy tính lượng tử  Một nhóm nhà khoa học người Áo mã hóa Qubit cách sử dụng tính chất photon ánh sáng, phân cực Tính chất miêu tả hướng photon ánh sáng dao động  Bước để đạt viễn thơng lượng tử tồn giới thử nghiệm truyền thông trạng thái lượng tử phần tử cách sử dụng đường nối vệ tinh tạo thành mạng Internet lượng tử  Cuối cùng, câu hỏi đặt ra: liệu truyền thơng lượng tử người phim khoa học viễn tưởng Star Trek không? Làm để tạo nên phận thể người truyền thông lượng tử?  Trong tương lai gần có lẽ khơng, thể người chứa đựng nhiều thông tin để quét tạo nên Để truyền thông người, máy phải xác định phân tích hàng tỷ tỷ nguyên tố tạo nên thể  Trong nhà khoa học tiến hành bước sơ để truyền thông nguyên tử!  Tuy nhiên, có bước đột phá giới lượng tử tương lai xa việc xảy phim khoa học viễn tưởng Star Trek trở thành thực truyền thông lượng tử biến ước mơ hoang đường thành thực Phân phối khóa lượng tử ( QKD ) gì? Mơ tả QKD liên quan đến việc gửi liệu mã hóa dạng bit cổ điển qua mạng, khóa để giải mã thơng tin mã hóa truyền trạng thái lượng tử cách sử dụng Qubit Có nhiều cách tiếp cận giao thức khác phát triển để triển khai QKD Trong đó, giao thức sử dụng rộng rãi – BB84 hoạt động sau Hãy tưởng tượng hai người, Alice Bob Alice muốn gửi liệu cách an tồn cho Bob Để làm vậy, tạo khóa mã hóa dạng Qubit mà trạng thái phân cực đại diện cho giá trị bit riêng lẻ khóa Các Qubit gửi đến Bob thơng qua cáp quang Bằng cách so sánh phép đo trạng thái phần nhỏ số Qubit — q trình gọi “sàng lọc khóa” —Alice Bob xác định họ giữ khóa Khi Qubit di chuyển đến đích, trạng thái lượng tử siêu mảnh số chúng sụp đổ tách rời (decoherence) Tiếp theo, Alice Bob chạy qua trình gọi “chưng cất khóa”, bao gồm việc tính tốn xem tỷ lệ lỗi có đủ cao để gợi ý tin tặc cố gắng đánh cắp khóa họ hay khơng Nếu có, họ loại bỏ khóa nghi ngờ tiếp tục tạo khóa họ tự tin chia sẻ khóa an tồn Alice sau sử dụng khóa để mã hóa liệu gửi dạng bit cổ điển cho Bob – sử dụng khóa anh để giải mã thơng tin QKD mô tả việc sử dụng hiệu ứng học lượng tử để thực tác vụ mã hóa phá vỡ hệ thống mật mã Nguyên tắc hoạt động hệ QKD đơn giản: hai bên (Alice Bob) sử dụng photon đơn lẻ phân cực ngẫu nhiên thành trạng thái đại diện cho số số để truyền chuỗi số ngẫu nhiên sử dụng làm khóa truyền thơng mật mã Cả hai trạm liên kết với kênh lượng tử kênh cổ điển Alice tạo dòng Qubit ngẫu nhiên gửi qua kênh lượng tử Khi tiếp nhận luồng Bob Alice - sử dụng kênh cổ điển - thực thao tác cổ điển để kiểm tra xem có tồn kẻ nghe trộm cố gắng trích xuất thơng tin luồng Qubit hay không Sự diện kẻ nghe trộm tiết lộ tương quan không hoàn hảo hai danh sách bit thu sau truyền Qubit phát thu Một thành phần quan trọng hầu hết tất lược đồ mã hóa số ngẫu nhiên thực tạo từ phương tiện quang học lượng tử 7 Phương pháp mã hóa giải mã photon Trong thiết lập QKD điển hình, photon tạo nguồn photon đơn lẻ, mã hóa thành giá trị nhị phân (tức đại diện cho "0" "1") sau truyền tới máy thu qua cáp quang không gian Người nhận sau giải mã trạng thái photon phát chúng cách sử dụng đầu dò nhạy photon đơn lẻ thiết bị điện tử gắn thẻ theo thời gian Có số phương pháp mã hóa giải mã photon:  Thơng qua phân cực: thông tin nhị phân "1" "0" xác định phân cực photon đơn lẻ, ví dụ: nhị phân "0" tương quan với photon phân cực theo chiều ngang nhị phân "1" với photon phân cực theo chiều dọc  Thông qua pha, yêu cầu sử dụng hệ thống giao thoa kế: chênh lệch pha Δφ = φAlice - φBob hai giao thoa kế sau sử dụng để mã hóa giá trị nhị phân, ví dụ: chênh lệch pha Δφ = tương quan với số nhị phân "0" sai lệch pha Δφ = π tương quan với nhị phân "1"  Thơng qua photon bị vướng víu, địi hỏi người gửi cặp photon vướng víu hai máy thu (Alice Bob) trang bị phân cực Alice Bob đặt hai góc máy quay phân cực tương ứng cách ngẫu nhiên Nếu góc Alice Bob khớp nhau, hai photon hoạt động giống hệt tách chùm tia, tức chúng truyền thẳng (nhị phân "1") phản xạ (nhị phân "0") Bộ lặp lượng tử gì? Giới thiệu Mặc dù QKD tương đối an toàn, an tồn dựa vào lặp lượng tử Mô tả Vật liệu dây cáp hấp thụ photon, điều có nghĩa chúng thường khơng thể di chuyển vài chục km Trong mạng cổ điển, lặp nhiều điểm khác dọc theo cáp sử dụng để khuếch đại tín hiệu nhằm bù đắp cho điều Các mạng QKD đưa giải pháp tương tự, tạo “nút đáng tin cậy” nhiều điểm khác Ví dụ, mạng từ Bắc Kinh đến Thượng Hải có 32 nút Tại trạm này, khóa lượng tử giải mã thành bit sau mã hóa lại trạng thái lượng tử cho hành trình chúng đến nút Nhưng điều lại khiến nút trở nên không thực đáng tin cậy: tin tặc vượt qua bảo mật nút chép bit mà khơng bị phát có khóa, giống cơng ty phủ điều hành nút Lý tưởng nhất, cần lặp lượng tử trạm với xử lý lượng tử cho phép khóa mã hóa dạng lượng tử chúng khuếch đại gửi khoảng cách dài Các nhà nghiên cứu chứng minh nguyên tắc xây dựng lặp vậy, họ chưa thể tạo nguyên mẫu hoạt động Viễn tải lượng tử gì? Giới thiệu Có vấn đề khác với QKD Dữ liệu truyền dạng bit mã hóa qua mạng thơng thường Điều có nghĩa tin tặc xâm phạm hệ thống phòng thủ mạng chép bit mà khơng bị phát hiện, sau sử dụng máy tính mạnh hơn, bẻ khóa khóa sử dụng để mã hóa chúng Các thuật tốn mã hóa mạnh mẽ an toàn, rủi ro đủ lớn để thúc đẩy số nhà nghiên cứu làm việc phương pháp thay – gọi viễn tải lượng tử Mô tả Điều nghe giống khoa học viễn tưởng, phương pháp thực liên quan đến việc truyền liệu hoàn toàn dạng lượng tử Phương pháp dựa tượng lượng tử gọi rối lượng tử (entanglement) Viễn tải lượng tử hoạt động cách tạo cặp photon rối sau gửi cặp tới người gửi liệu cặp đến người nhận Khi Alice nhận photon rối mình, để tương tác với “Qubit nhớ” chứa liệu mà cô muốn truyền cho Bob Tương tác làm thay đổi trạng thái photon cô điều xảy tương tự với photon Bob Trên thực tế, điều “dịch chuyển” liệu Qubit nhớ Alice từ photon cô đến Bob Các nhà nghiên cứu Mỹ, Trung Quốc châu Âu chạy đua để tạo mạng viễn tải có khả phân phối photon rối Nhưng việc đưa chúng lên quy mô thách thức lớn khoa học kỹ thuật Các rào cản nhiều, việc tìm cách đáng tin cậy để tạo nhiều photon liên kết theo yêu cầu trì chúng khoảng cách xa – điều mà lặp lượng tử làm cách dễ dàng Internet lượng tử gì? Giới thiệu Tuy nhiên, thách thức ngăn cản nhà nghiên cứu mong đợi mạng internet lượng tử tương lai 10 10 Mô tả Cũng giống Internet truyền thống, mạng lưới trải khắp toàn cầu Sự khác biệt lớn mạng truyền thông mạng lượng tử Nó khơng thay Internet Hình ảnh động vật, video ca nhạc nhiều thông tin kinh doanh thông thường di chuyển dạng bit cổ điển Nhưng internet lượng tử có giá trị việc thu hút tổ chức cần bảo mật liệu đặc biệt Nó cách lý tưởng để kết nối thơng tin máy tính lượng tử, vốn ngày cung cấp thông qua đám mây điện toán Trung Quốc quốc gia tiên phong việc thúc đẩy truyền thông lượng tử Họ phóng vệ tinh liên lạc lượng tử chuyên dụng có tên Micius vài năm trước Năm 2017, vệ tinh giúp tổ chức hội nghị truyền hình liên lục địa, bảo mật QKD giới Bắc Kinh Vienna Một trạm mặt đất liên kết vệ tinh với mạng mặt đất từ Bắc Kinh đến Thượng Hải Trung Quốc có kế hoạch phóng nhiều vệ tinh lượng tử số thành phố nước lên kế hoạch cho mạng QKD thành phố Một số nhà nghiên cứu cảnh báo rằng, internet lượng tử tốt bị cơng công dựa lượng tử Nhưng đối mặt với công dội hồnh hành internet ngày nay, doanh nghiệp, phủ quân đội tiếp tục khám phá viễn cảnh đầy trêu giải pháp để thay lượng tử an toàn 11