Đề tài các ứng dụng của cơ học lượng tử mật mã lượng tử

Các hiện tượng này chỉ có thể hiểu dựa trên Cơ học lượng tử.Các ứng dụng của cơ học lượng tử là nguồn lực quý giá được trao vào tay con người để tạo nên một nền tảng công nghệ mới, có th

TRANG BÌA MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU Các hoạt động hàng ngày mà bạn quen thuộc như đi bộ, chạy nhảy, đá bóng hay đạp xe … là những hiện tượng mà bạn coi là hiển nhiên Những hiện tượng này xảy ra trong thế giới vĩ mô, một thế giới mà chúng ta có thể cảm nhận trực tiếp bằng các giác quan của mình, và được miêu tả bằng cơ học Newton (hay còn gọi là cơ học cổ điển) Tuy nhiên, nếu bạn có khả năng quan sát được các hiện tượng ở mức độ nguyên tử, bạn sẽ thấy các hiện tượng này tuân theo những quy luật hoàn toàn khác, được miêu tả bằng những tiên đề và định luật của vật lý lượng tử Ví dụ điển hình là thí nghiệm về sự giao thoa của chùm điện tử khi đi qua khe hẹp (Young's double-slit experiment), cho thấy các điện tử mặc dù là các hạt nhưng vẫn có tính chất giao thoa giống như sóng Ngoài ra còn rất nhiều hiện tượng khác mà có thể các bạn đã từng biết tới trong chương trình học như hiệu ứng quang điện, các dạng phổ vạch cho các nguyên tử (chẳng hạn các dãy phổ Lyman, Balmer, Paschen … cho nguyên tử hydrogen), có liên quan chặt chẽ đến các trạng thái năng lượng gián đoạn của vật liệu Các hiện tượng này chỉ có thể hiểu dựa trên Cơ học lượng tử Các ứng dụng của cơ học lượng tử là nguồn lực quý giá được trao vào tay con người để tạo nên một nền tảng công nghệ mới, có thể là công nghệ chủ đạo của nhân loại trong nhiều thập kỷ tới - công nghệ lượng tử Trong đó, công nghệ thông tin lượng tử sẽ đóng vai trò trung tâm vì sẽ tạo ra đột phá cho các lĩnh vực công nghệ lượng tử khác, tiêu biểu là mật mã lượng tử Các nhà nghiên cứu hiện đang tìm kiếm các phương pháp để can thiệp vào trạng thái lượng tử Một trong những cố gắng đó là mật mã lượng tử cho phép truyền thông tin một cách an toàn Và đây cũng là lý do nhóm chúng em chọn đề tài CÁC ỨNG DỤNG CỦA CƠ HỌC LƯỢNG TỬ: MẬT MÃ LƯỢNG TỬ GIỚI THIỆU CHUNG I MẬT MÃ LƯỢNG TỬ LÀ GÌ? - Mật mã lượng tử là một phương pháp mã hóa sử dụng các đặc tính xuất hiện tự nhiên của cơ học lượng tử để bảo mật và truyền dữ liệu theo cách không thể bị tấn công - Mật mã lượng tử là quá trình mã hóa và bảo vệ dữ liệu để chỉ người có khóa bí mật phù hợp mới có thể giải mã được Mật mã lượng tử khác với các hệ thống mật mã truyền thống ở chỗ nó dựa vào vật lý, thay vì toán học, là khía cạnh chính của mô hình bảo mật - Mật mã lượng tử là một hệ thống hoàn toàn an toàn không bị xâm phạm mà người gửi hoặc người nhận tin nhắn không hề hay biết Nghĩa là không thể sao chép hoặc xem dữ liệu được mã hóa ở trạng thái lượng tử mà không thông báo cho người gửi hoặc người nhận Mật mã lượng tử cũng sẽ vẫn an toàn đối với những người sử dụng điện toán lượng tử II LỊCH SỬ HÌNH THÀNH CỦA CƠ HỌC LƯỢNG TỬ - Sau khi nhà vật lý người Đức - Max Planck - lần đầu tiên nêu ra khái niệm lượng tử vào năm 1900, nghiên cứu về vật lý lượng tử đã được nâng cao nhờ nỗ lực của nhiều nhà vật lý và một bộ lý thuyết tương đối hoàn chỉnh về cơ học lượng tử đã được phát triển vào những năm 1930 - Mật mã lượng tử ra đời vào đầu những năm 1970 khi Stephen Wiesner viết “Mã hóa liên hợp”, không may là phải mất hơn 10 năm nó mới được xuất bản (năm 1983) trên tạp chí Sigact News - Năm 1984, giao thức BB84 được công bố bởi Bennett và Brassard, dựa trên những ý tưởng về mật mã lượng tử được đưa ra bởi Stephen Weisner - Năm 1991, Artur Ekert, khi đó đang là nghiên cứu sinh tại Đại học Wolfson, Đại học Oxford, đã thực hiện thí nghiệm đầu tiên về giao thức này thành công qua một đường truyền 32 cm - Những hệ thống ngày nay đã được thử nghiệm thành công trên quang sợi ở độ dài hàng trăm km NỘI DUNG I CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA MẬT MÃ LƯỢNG TỬ - Mật mã lượng tử được dựa trên cơ sở vật lí lượng tử theo nguyên lý bất biến Heisenberg - Vật lý lượng tử - một bộ phận của vật lý hiện đại nghiên cứu thế giới vật chất ở cấp độ vi mô: các hạt có kích thước nguyên tử và hạt nguyên tử như photon, electron và các hạt cơ bản khác Các hạt này có những tính chất hoàn toàn khác với tính chất của hạt vĩ mô, không thể hình dung được bằng trực giác của con người và không thể giải thích được trong khuôn khổ các định luật của vật lý cổ điển Trước hết, đó là nguyên lý chồng chập trạng thái: các hạt vi mô có thể tồn tại một lúc tại nhiều trạng thái và nguyên lý bất định Không giống hạt vĩ mô, trạng thái của các hạt vi mô không thể xác định chính xác - Mật mã lượng tử sử dụng các hạt ánh sáng riêng lẻ, hoặc photon , để truyền dữ liệu qua dây cáp quang Các photon đại diện cho các bit nhị phân Tính bảo mật của hệ thống dựa trên cơ học lượng tử - II PHÂN LOẠI MẬT MÃ LƯỢNG TỬ: 1 Mật mã lượng tử độc lập với thiết bị (QKD) là một phương thức mã hóa mật khẩu tiên tiến và an toàn, sử dụng các nguyên lý của vật lý lượng tử để gửi các khóa bí mật giữa hai bên mà không bị người thứ ba đánh cắp thông tin Với sự phát triển của công nghệ, QKD đang trở thành một trong những giải pháp được sử dụng để bảo vệ an toàn thông tin trong các lĩnh vực như tài chính, y tế và quân sự QKD sẽ giúp tăng cường sự an toàn trong việc truyền dữ liệu và bảo vệ quyền riêng tư của người dùng 2 Mật mã sau lượng tử là một hệ thống mã hóa sử dụng các thuật toán lượng tử để đảm bảo tính bảo mật của thông tin truyền đi Nó có thể giải quyết vấn đề mà các thuật toán mã hóa kinh điển như RSA và AES không thể giải quyết, đó là đảm bảo tính bất khả xâm phạm (unbreakability) của thông tin trong quá trình truyền đi Các phương pháp mã hóa sau lượng tử được xây dựng trên các thuật toán lượng tử nhưng vẫn cần phải được kết hợp với các phương pháp mã hóa truyền thống để đảm bảo tính bảo mật toàn diện của thông tin 3 Truy vấn riêng lượng tử (QPQ) là một giao thức mật mã cho phép người dùng truy xuất thông tin từ cơ sở dữ liệu mà không tiết lộ thông tin cụ thể mà họ quan tâm Điều này cung cấp một cách để người dùng bảo vệ quyền riêng tư của các truy vấn của họ trong khi vẫn có thể truy cập vào thông tin họ cần QPQ vẫn là một giao thức thử nghiệm và tương đối mới, và có những hạn chế đối với việc triển khai thực tế của nó Tuy nhiên, nó có tiềm năng trở thành một công cụ mạnh mẽ để bảo vệ quyền riêng tư trong các truy vấn cơ sở dữ liệu III NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG CỦA MẬT MÃ LƯỢNG TỬ: - Tất cả những hệ bảo mật lượng tử đều dựa trên Nguyên lý bất biến Heisenberg - Mật mã lượng tử, hay phân phối khóa lượng tử (QKD), sử dụng một loạt photon để truyền dữ liệu từ vị trí này sang vị trí khác qua cáp quang Bằng cách so sánh các phép đo thuộc tính của một phần nhỏ các photon này, hai điểm cuối có thể xác định khóa là gì và liệu nó có an toàn để sử dụng hay không Chia nhỏ quy trình hơn sẽ giúp giải thích tốt hơn 1 Người gửi truyền các photon qua một bộ lọc (hoặc bộ phân cực) ngẫu nhiên cung cấp cho chúng một trong bốn phân cực có thể có và ký hiệu bit: Dọc (1 bit), Ngang (0 bit), 45 độ bên phải (1 bit) hoặc 45 độ bên trái (0 chút) 2 Các photon di chuyển đến một bộ thu, sử dụng hai bộ tách chùm tia (ngang/ dọc và chéo) để “đọc” sự phân cực của từng photon Máy thu không biết nên sử dụng bộ tách chùm tia nào cho mỗi photon và phải đoán xem nên sử dụng bộ tách chùm nào 3 Khi luồng photon đã được gửi đi, máy thu sẽ báo cho người gửi biết bộ tách chùm tia nào đã được sử dụng cho từng photon theo trình tự chúng được gửi và người gửi so sánh thông tin đó với trình tự các bản phân cực được sử dụng để gửi khóa Các photon được đọc bằng cách sử dụng bộ tách chùm sai sẽ bị loại bỏ và chuỗi bit thu được sẽ trở thành chìa khóa - Nếu photon bị kẻ nghe trộm đọc hoặc sao chép theo bất kỳ cách nào, thì trạng thái của photon sẽ thay đổi Sự thay đổi sẽ được phát hiện bởi các điểm cuối Nói cách khác, điều này có nghĩa là không thể đọc photon và chuyển tiếp nó hoặc tạo một bản sao của nó mà không bị phát hiện MÔ HÌNH GIẢ ĐỊNH NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MẬT MÃ LƯỢNG TỬ - GIAO THỨC BB84:  Mô hình giả định rằng có hai người tên là Alice và Bob muốn trao đổi tin nhắn một cách an toàn Alice bắt đầu gửi tin nhắn bằng cách gửi cho Bob một khóa Chìa khóa là một dòng photon truyền theo một hướng Mỗi photon đại diện cho một bit dữ liệu - có thể là 0 hoặc 1 Tuy nhiên, ngoài hành trình tuyến tính của chúng, các photon này còn dao động hoặc dao động theo một cách nhất định  Vì vậy, trước khi Alice, người gửi, bắt đầu gửi tin nhắn, các photon di chuyển qua một bộ phân cực Bộ phân cực là một bộ lọc cho phép một số photon nhất định đi qua nó với cùng các rung động và cho phép các photon khác đi qua ở trạng thái rung động thay đổi Các trạng thái phân cực có thể là dọc (1 bit), ngang (0 bit), 45 độ sang phải (1 bit) hoặc 45 độ sang trái (0 bit) Quá trình truyền có một trong hai phân cực đại diện cho một bit đơn lẻ, 0 hoặc 1, trong cả hai sơ đồ mà cô ấy sử dụng  Lúc này các photon di chuyển qua sợi quang từ bản phân cực về phía máy thu, Bob Quá trình này sử dụng một bộ tách chùm đọc phân cực của từng photon Khi nhận được chìa khóa photon, Bob không biết sự phân cực chính xác của các photon, vì vậy một sự phân cực được chọn ngẫu nhiên Bây giờ, Alice so sánh những gì Bob đã sử dụng để phân cực khóa và sau đó cho Bob biết cô ấy đã sử dụng bộ phân cực nào để gửi mỗi photon Bob sau đó xác nhận xem anh ấy có sử dụng đúng kính phân cực hay không Sau đó, các photon được đọc bằng bộ chia sai sẽ bị loại bỏ và chuỗi còn lại được coi là chìa khóa  Giả sử có một người nghe lén, tên là Eve Eve cố gắng lắng nghe và có các công cụ giống như Bob Nhưng Bob có lợi thế là nói chuyện với Alice để xác nhận loại kính phân cực nào đã được sử dụng cho mỗi photon; Eva thì không Cuối cùng, Eve hiển thị khóa cuối cùng không chính xác  Alice và Bob cũng sẽ biết nếu Eve đang nghe lén họ Eve quan sát dòng photon sau đó sẽ thay đổi vị trí của photon mà Alice và Bob mong đợi nhìn thấy IV ỨNG DỤNG THỰC TẾ: - Đối với mã hóa dữ liệu lượng tử, thành công trong hướng này trước hết phải kể đến công nghệ mã hóa bằng mã dòng AlphaEta của Mỹ - Đại học Cambridge và Toshiba Corp đã tạo ra một hệ thống QKD tốc độ bit cao bằng cách sử dụng giao thức mật mã lượng tử BB84 - Mạng lượng tử DARPA là mạng phân phối khóa lượng tử đầu tiên trên thế giới, hoạt động từ năm 2002 đến 2007, là mạng QKD gồm 10 nút quang được phát triển bởi Đại học Boston, Đại học Harvard và Nghiên cứu của IBM - Quantum Xchange đã ra mắt mạng lượng tử đầu tiên ở Hoa Kỳ, bao gồm 1.000 kilômét (km) cáp quang - Các công ty thương mại, chẳng hạn như ID Quantique, Toshiba, Quintessence Labs và MagiQ Technologies Inc., cũng đã phát triển các hệ thống QKD thương mại - Thành công đột phá của Trung Quốc năm 2018 trong truyền thông lượng tử giữa mặt đất và vệ tinh quỹ đạo thấp với khoảng cách gần 1000 km KẾT LUẬN I Ý NGHĨA THỰC TIỄN: - Mật mã lượng tử là một công nghệ bảo mật mới sử dụng các tính chất của vật lý lượng tử để bảo vệ thông tin Nó giúp ngăn chặn các cuộc tấn công bằng cách sử dụng các thuộc tính của các hạt lượng tử để truyền tải thông tin một cách an toàn và bảo mật - Mật mã lượng tử có thể được sử dụng để tạo ra các máy tính lượng tử, có thể giải quyết các vấn đề tính toán phức tạp mà các máy tính truyền thống không thể giải quyết được - Tóm lại, mật mã lượng tử là một công nghệ bảo mật tiên tiến và có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau Nó giúp bảo vệ thông tin quan trọng và mở ra cánh cửa cho các ứng dụng tính toán lượng tử trong tương lai II ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG: Mật mã lượng tử có khả năng cách mạng hóa cách chúng ta giao tiếp bằng cách cung cấp một kênh liên lạc an toàn không bị tấn công mạng Một số ứng dụng của Mật mã lượng tử bao gồm:  Giao dịch tài chính: Mật mã lượng tử có thể cung cấp một kênh liên lạc an toàn cho các giao dịch tài chính, khiến tội phạm mạng không thể chặn và đánh cắp thông tin tài chính nhạy cảm  Truyền thông quân sự và chính phủ: Mật mã lượng tử có thể được sử dụng bởi các cơ quan quân sự và chính phủ để truyền đạt thông tin nhạy cảm một cách an toàn mà không sợ bị chặn  Chăm sóc sức khỏe: Mật mã lượng tử có thể được sử dụng để bảo mật dữ liệu chăm sóc sức khỏe, bao gồm hồ sơ bệnh nhân và nghiên cứu y tế  Internet of Things (IoT): Mật mã lượng tử có thể được sử dụng để bảo mật các kênh liên lạc của thiết bị IoT, vốn dễ bị tấn công mạng do sức mạnh tính toán thấp của chúng THAM KHẢO Nguyễn Thị Bé Bảy: Vật lý đại cương A2, Giáo trình nội bộ ĐHBK TP.HCM, 2016 Alexander S Gillis (n.d.) Definition quantum cryptography 2022, https://www.techtarget.com/searchsecurity/definition/quantum-cryptography Aman Ahuja (n.d.) Quantum Cryptography https://www.geeksforgeeks.org/quantum-cryptography/ Clark Josh (n.d.) How Quantum Cryptology Works https://science.howstuffworks.com/science-vs-myth/everyday-myths/quantum-cryptology.htm Kumar, Satish (n.d.) Quantum Cryptography Retrieved from https://www.tutorialspoint.com/quantumcryptography#:~:text=There%20are%20several %20diffrent%20types,quantum%20private%20queries%20(QPQ) Quantumxchange (n.d.) Quantum Cryptography, Explained Retrieved from https://quantumxc.com/blog/quantum-cryptography-explained/ Sơ lược về Cơ học lượng tử (n.d.) Retrieved from VORE: https://voer.edu.vn/m/so-luoc-ve-co-hoc-luong-tu/920dfad8 Trần Đức Lịch (2020, 02 13) Hiện trạng và triển vọng của mật mã lượng tử Retrieved from Ban cơ yếu chính phú An toàn thông tin: https://antoanthongtin.vn/mat-ma-dan-su/hien-trang-va-trien-vong-cua-mat-ma-luong-tu-105843 What Is Quantum Cryptography? Explained In Simple Terms (n.d.) Retrieved from https://quantlr.com/quantum/what-is-quantum-cryptography-explained-in-simple-terms/ YangZi Wu (n.d.) Origin and Development of Quantum Cryptography Retrieved from https://www.mpiwg-berlin.mpg.de/research/projects/origin-and-development-quantum- cryptography PHỤ LỤC Nguyên lý bất định Heisenberg Nguyên lý bất định của Heisenberg (viết tắt HUP) là một trong những khái niệm cơ bản của vật lý lượng tử và là cơ sở để nhận ra ban đầu những bất ổn cơ bản trong khả năng của một người thí nghiệm đo nhiều hơn một biến lượng tử tại một thời điểm Chẳng hạn, việc cố gắng đo vị trí của hạt cơ bản ở mức độ chính xác cao nhất, dẫn đến sự không chắc chắn ngày càng tăng trong việc có thể đo động lượng của hạt đến độ chính xác cao tương đương Giả sử A và B là hai toán tử Hermiti và | ψ ⟩|ψ⟩ là một trạng thái lượng tử Giả sử⟨ Ψ | A B | ψ ⟩ = x + i y⟨ψ|MộtB|ψ⟩= =x+Tôiy, Ở đâu xx và yylà có thật Lưu ý rằng Giả sử ⟨ψ|AB| ψ⟩=x+iy Ở đây lưu ý x và y có thật Lưu ý rằng ⟨ψ|[A,B]|ψA,B]|ψ⟩=2iy ⟨ψ|[A,B]|ψA,B]| ψ⟩=2iyvà⟨ ψ|{A,B}|ψA,B}|ψ⟩=2x⟨ψ |{A,B}|ψA,B}| ψ⟩=2x Điều này ngụ ý rằng: |⟨ψ|[A,B]|ψA,B]|ψ⟩|2+|⟨ψ|{A,B}|ψA,B}|ψ⟩|2=4|⟨ψ|AB|ψ⟩|2 Do bất đẳng thức Cauchy-Schwarz ,|⟨ψ|AB|ψ⟩|2≤⟨ψ|A2|ψ⟩⟨ψ|B2|ψ⟩, kết hợp với phương trình (1) và bỏ một thuật ngữ không phủ định cho: |⟨ψ|[A,B]|ψA ,B]|ψ⟩|2≤ 4⟨ψ|A2 |ψ⟩⟨ψ|B2|ψ⟩ Giả sử C và D là hai vật quan sát được Thay thế A=C−A=C− and B=D− vào phương trình cuối cùng, trong đó giá trị trung bình của C có thể quan sát được thường được viết  = ⟨ψ|C|ψ⟩ = ⟨ψ|C|ψ⟩ và tương tự như D, chúng ta có được nguyên lý bất định Heisenberg, vì nó thường được nêu: Δ ( C) Δ ( D ) ≥| ⟨ Ψ | [A,B]|ψ C, D ] | ψ ⟩ |2 Truyền thông lượng tử việc gửi tin nhắn được mã hóa mà không thể hack được bởi bất kỳ máy tính nào Điều này tôi cho phép có thể bởi vì các thông điệp được mang theo bởi các hạt ánh sáng nhỏ gọi là photon Nếu một kẻ nghe trộm cố gắng đọc tin nhắn trong quá cảnh, chúng sẽ bị phát hiện bởi sự xáo trộn nguyên nhân đo lường của chúng đối với các hạt như là hậu quả tất yếu của HUP Trong chế độ của các thí nghiệm lượng tử, ngược lại, chúng ta không chắc chắn về kết quả của các thí nghiệm vì bản thân hạt không chắc chắn Nó không có vị trí hoặc tốc độ cho đến khi chúng tôi đo nó Chúng ta có thể thiết kế một số giao thức của mật mã lượng tử bằng cách sử dụng thuộc tính của lượng tử từ HUP