CHÌA KHÓA DẪN TỚI NỀN CÔNG NGHIỆP LƯỢNG TỬ docx

© hiepkhachquay Chìa khóa dẫn tới nền công nghiệp lượng tử | Trang 1/10 CHÌA KHÓA DẪN TỚI NỀN CÔNG NGHIỆP LƯỢNG TỬ Công nghệ khai thác các quy luật kì lạ của cơ học lượng tử để đảm bảo sự an toàn của các tin nhắn đã mã hóa là sản phẩm đầu tiên của nền công nghiệp thông tin lượng tử với tới được thị trường, như Andrew Shields và Zhiliang Yuan giải thích. Như các lí thuyết tiến triển, cơ học lượng tử nhất định đã thành công. Không kể nhiều tiên đoán phi trực giác của nó, cơ học lượng tử đã mang lại một sự mô tả chính xác thế giới nguyên tử trong hơn 80 năm qua. Nó cũng là một công cụ thiết thiết yếu trong việc chế tạo các chip máy tính ngày nay và các ổ đĩa cứng, cũng như laser dùng trong truyền thông sợi quang của Internet. Tuy nhiên, hiện nay, khả năng điều khiển trạng thái lượng tử của từng hạt hạ nguyên tử một đang cho phép chúng ta khai thác những tính chất kì lạ của thuyết lượng tử một cách trực tiếp hơn nhiều trong công nghệ thông tin. Chúng ta thường nghĩ rằng thông tin là trừu tượng, nhưng thật ra mọi thông tin đều yêu cầu một môi trường vật lí cho quá trình xử lí, lưu trữ và truyền thông của nó. Đơn vị cơ bản của thông tin – một bit, có thể là 0 hoặc 1 – có thể biểu diễn về mặt vật lí, ví dụ, bằng dòng điện trong một mạch điện hoặc bằng ánh sáng trong sợi quang. Khi thông tin được biểu diễn bằng những hệ vật lí nhỏ hơn bao giờ hết, các hiệu ứng lượng tử trở nên càng quan trọng. Giới hạn cuối cùng xuất hiện khi các bit được biểu diễn bằng trạng thái lượng tử của một hạt, ví dụ như sự phân cực của một photon. Áp dụng cho thông tin, thuyết lượng tử nêu ra một số tiên đoán rất kì quặc. Những tiên đoán này không chỉ được quan tâm là một phép kiểm tra của cơ học lượng tử, mà còn có thể mang lại cho chúng ta những ứng dụng thực tiễn không thể có được đơn giản với công nghệ thông tin “cổ điển”. Ví dụ, một máy tính lượng tử sẽ làm việc với các bit có thể vừa là “0” vừa là “1” cùng một lúc, cho phép nó giải được những bài toán nhất định hầu như không giải được bằng một chiếc máy tính thường– ví dụ như bài toán tìm thừa số của một số rất lớn. Mặc dù những chiếc máy tính lượng tử thực tế sẽ mất nhiều năm nữa để phát triển, nhưng một hiện thân của nền công nghệ thông tin lượng tử vừa mới trở thành hiện thực: đó là mật mã lượng tử. Phương pháp gởi tin nhắn cực kì an toàn này dựa trên một nguyên lí cơ bản rằng việc đo một trạng thái lượng tử sẽ, nói chung, làm biến đổi nó. Như vậy, nếu chúng ta mã hóa tin nhắn thành từng trạng thái lượng tử một, ví dụ như pha của các photon truyền trong sợi quang, thì kẻ nghe trộm cố chặn dòng tin nhắn không thể nào tránh việc làm biến đổi nó. Do đó, chúng ta có thể © hiepkhachquay Chìa khóa dẫn tới nền công nghiệp lượng tử | Trang 2/10 kiểm tra xem tin nhắn có bị đọc trước khi nó đi tới người nhận mong đợi hay không – đây là việc không thể thực hiện được bằng các tín hiệu cổ điển. Tiềm năng thương mại của mật mã lượng tử đã thu hút được đầu tư tư nhân ở một vài công ti mới ở Mĩ và châu Âu. Công ti Id Quantique, chẳng hạn, phát triển từ nghiên cứu tiên phong tại trường đại học Geneva; còn ở Mĩ, các phát triển thương mại được dẫn đầu bởi MagiQ Technologies, đặt ở New York và Massachusetts. Gần đây, một công ti mới thứ ba tên gọi là SmartQuantum đã được thành lập ở Brittany, Pháp, và các tập đoàn lớn như HP, IBM, Mitsubishi, NEC, NTT và Toshiba đều có các chương trình mật mã lượng tử đang hoạt động. Với một số sản phẩm mật mã lượng tử vừa có mặt trên thị trường, nền công nghiệp thông tin lượng tử đã ra đời. Chìa khóa bảo mật Mật mã là một phần thiết yếu của máy tính và hệ thống viễn thông ngày nay, chúng bảo vệ mọi thứ từ các thư điện tử kinh doanh cho đến các giao dịch ngân hàng và mua sắm qua Internet. Thông tin thường được giữ bí mật bằng một công thức toán học gọi là thuật toán mã hóa, cùng với một “khóa” bí mật người gởi sử dụng để trộn tin nhắn thành một dạng mà kẻ nghe trộm không thể nào hiểu được. Người nhận sau đó sử dụng một khóa tương tự - thường là một số nhị phân dài – với thuật toán giải mã để đọc tin nhắn. Mặc dù các thuật toán hiện đại, như Chuẩn mã hóa tiên tiến (AES) rất khó bị phá vỡ nếu như không có khóa, nhưng hệ thống này có một nhược điểm hiển nhiên: đó là khóa phải được biết với cả hai phía. Như vậy, bài toán truyền thông kín quy về bài toán làm sao phân phối những khóa này một cách an toàn – tin nhắn mã hóa khi đó chính nó có thể được an toàn gởi đi theo một kênh công cộng (hình 1). Một phương pháp phổ biến là sử dụng một đối tượng mang an toàn để vận chuyển khóa từ nơi gởi đến nơi nhận. Hình 1. Alice muốn gởi cho Bob một tin nhắn bí mật – ví dụ như một bản giao dịch ngân hàng – trên một kênh viễn thông có khả năng không an toàn. Để làm việc này, Alice và Bob phải chia sẻ một khóa bí mật – đó là một số nhị phân dài. Sau đó, Alice có thể mã hóa tin nhắn của cô thành “mật mã” bằng một khóa chung với thuật toán mã hóa, ví dụ như AES. Mật mã sau đó có thể được truyền đi bằng một kênh dữ liệu bình thường, khi đó kẻ nghe trộm sẽ không thể hiểu được, và Bob có thể sử dụng khóa đó để giải mã tin nhắn. Trái với phương pháp truyền thống của sự phân phối khóa, ví dụ một đối tượng mang được tin cậy, mật mã lượng tử đảm bảo sự an toàn của khóa đó. Khóa cũng có thể thường xuyên thay đổi, do đó làm giảm nguy cơ bị đánh cắp hoặc bị suy ra bởi một phép phân tích thống kê giải mã của mật mã. Tuy nhiên, bất cứ phương pháp phân phối nào dựa trên con người cũng làm tổn hại các khóa do tự ý hoặc bị ép buộc tiết lộ. Trái lại, mật mã lượng tử, hay sự © hiepkhachquay Chìa khóa dẫn tới nền công nghiệp lượng tử | Trang 3/10 phân phối khóa lượng tử chính xác hơn (QKD), mang lại một phương pháp tự động phân phối các khóa bí mật bằng sợi quang truyền thông chuẩn. Đặc trưng mang tính cách mạng QKD là nó vố dĩ an toàn: giả sử rằng các định luật của thuyết lượng tử là đúng, thì chúng ta có thể chứng minh khóa đó không thể bị kẻ nghe trộm thu được mà không có sự hiểu biết của người gởi và người nhận. Hơn nữa, QKD cho phép khóa thay đổi thường xuyên, làm giảm nguy cơ mất trộm khóa, hoặc “giải mã”, trong đó kẻ nghe trộm phân tích các kiểu trong tin nhắn mã hóa để suy luận ra kháo bí mật. Phương pháp đầu tiên cho sự phân phối các khóa bí mật mã hóa trong những trạng thái lượng tử được đề xuất vào năm 1984 bởi các nhà vật lí lí thuyết Charles Bennett tại IBM và Gilles Brassard tại trường đại học Montreal. Trong giao thức “BB84” của họ, một bit thông tin được biểu diễn bằng trạng thái phân cực của một đơn photon – ví dụ “0” là phân cực ngang, “1” là phân cực dọc. Người gửi (Alice) truyền một chuỗi đơn photon phân cực đến người nhận (Bob) và bằng cách tiến hành một loạt phép đo lượng tử và truyền thông công cộng, họ có thể thiết lập một khóa chia sẻ và kiểm tra xem kẻ nghe lén (Eve) có chặn được bất cứ bit nào thuộc khóa này trên đường đi hay không. Giao thức BB84 không những cho phép chúng ta kiểm tra việc nghe trộm, mà còn đảm bảo Alice và Bob có thể thiết lập một khóa bí mật dẫu cho Eve đã xác định được một số bit trong chuỗi nhị phân chia sẻ của họ, bằng một kĩ thuật gọi là “khuếch đại riêng”. Chẳng hạn, giả sử như Eve đã biết được 10% bit của khóa mà Alice và Bob chia sẻ. Nhận thức được điều này, Alice và Bob khi đó có thể cùng đồng ý cộng thêm vào mỗi cặp bit kề nhau tạo thành một chuỗi mới có chiều dài phân nửa. Eve cũng có thể làm việc này, nhưng vì cô ta sẽ cần phải biết cả bit trong cặp để xác định chính xác tổng của chúng, nên cô ta sẽ nhận thấy rằng bấy giờ cô ta chia sẻ một phần thấp hơn nhiều của chuỗi bit mới cùng với Alice và Bob. Có quá nhiều thứ về nguyên tắc. Trên thực tế, việc phát ra các xung đơn photon mà BB84 yêu cầu không hề đơn giản. Bất chấp những tiến bộ gần đây trong việc sử dụng các nguyên tử độc lập hoặc các chấm lượng tử bán dẫn để phát ra các đơn photon, đa số hệ QKD thực tế sử dụng xung laser yếu để truyền các bit hình thành nên khóa đó. Phương pháp này có một nhược điểm: laser sẽ thỉnh thoảng phát ra các xung chứa hai hoặc nhiều photon, mỗi photon trong số đó sẽ ở cùng một trạng thái lượng tử. Kết quả là Eve có thể tách ra một trong số các photon này và đo nó, đồng thời để cho các photon khác không bị xáo trộn, nhờ đó xác định được một phần của khóa mà vẫn không bị phát hiện. Tồi tệ hơn nữa, bằng cách chặn các xung đơn photon và chỉ cho phép các xung đa photon truyền tới Bob, Eve có thể xác định được toàn bộ khóa. Cho đến khi những nguồn đơn photon thật sự trở nên có thể mua được về phương diện thương mại, thì biện pháp phòng ngừa phổ biến nhất là làm suy yếu nhiều laser để hạn chế tỉ lệ của các xung đa photon. Tuy nhiên, việc này cũng có nghĩa là nhiều xung không có photon nào cả, làm giảm tốc độ mà khóa có thể được truyền đi. Năm 2003, một thủ thuật mới nhằm lẩn tránh vấn đề này đã đưcợ đề xuất bởi Hoi-Kwong Lo tại trường đại học Toronto và Xiang-Bing Wang ở Dự án tính toán và thông tin lượng tử, tại Tokyo, dựa trên công trình trước đó của Won-Young Hwang, tại trường đại học Northwestern, Mĩ. © hiepkhachquay Chìa khóa dẫn tới nền công nghiệp lượng tử | Trang 4/10 Ý tưởng của họ là rải các xung tín hiệu một cách ngẫu nhiên với một số “xung mồi” yếu hơn về trung bình và rất hiếm khi có chứa một xung đa photon. Nếu Eve cố gắng tấn công tách xung, cô ta sẽ, do đó, làm truyền xung mồi đến Bob ít hơn so với các xung tín hiệu. Bởi vậy, bằng cách kiểm tra sự truyền của các xung mồi và xung tín hiệu tách biệt nhau, cuộc tấn công của Eve có thể bị phát hiện. Điều này có nghĩa là các xung laser mạnh hơn có thể được sử dụng một cách an toàn – chẳng hạn, hồi năm ngoái, tại Toshiba, chúng tôi đã chứng minh được sự tăng 100 lần tỉ lệ các khóa được truyền đi một cách an toàn trên một sợi quang dài 25 km. Giao thức xung mồi đã gây nên sự kích thích lớn trong cộng đồng QKD, với bốn nhóm độc lập nhau đã vừa công bố những luận chứng thực nghiệm của kĩ thuật đó. Các xung laser yếu không phải là cách thức duy nhất để thực hiện mật mã lượng tử. Ví dụ, QKD sử dụng một nguồn đơn photon thật sự mới đây đã được chứng minh tại trường đại học Stanford, CNRS ở Orsay và Toshiba. Hơn nữa, vào năm 1991, Artur Ekert, lúc ấy còn là nghiên cứu sinh tiến sĩ tại trường đại học Oxford, đã mô tả một biến thể cho giao thức BB84 khai thác một tiên đoán phản trực giác khác của cơ học lượng tử: đó là sự rối. Các cặp photon bị bẫy có trạng thái lượng tử tương quan mạnh mẽ với nhau, cho nên việc đo photon này ảnh hưởng tới sự đo photon kia. Nếu Alice và Bob, mỗi người có một của cặp photon đó, thì do đó họ có thể sử dụng phép đo của mình để trao đổi thông tin. Kĩ thuật này đã được chứng minh bởi các nhà nghiên cứu tại trường đại học Vienna, Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos và trường đại học Geneva, và đã được sử dụng năm 2004 để chuyển tiền giữa ngân hàng Vienna City Hall và một ngân hàng Áo. Tuy nhiên, QKD laser yếu là phương pháp cẩn trọng nhất, và cơ sở của hệ QKD thương mại ngày nay đang phát triển ra thị trường. QKD thực tế Thông tin có thể được mã hóa thành trạng thái lượng tử của các photon theo một vài cách khác nhau. Bằng chứng thực nghiệm đầu tiên của QKD do Bennett và Brassard thực hiện năm 1989 trên 30 cm không khí sử dụng trạng thái phân cực của các photon. Tuy nhiên, sự truyền các photon dọc theo sợi quang có thể làm ngẫu nhiên hóa sự phân cực của chúng, nên một phương pháp tốt hơn do Paul Townsend đi tiên phong, trước đây là nhân viên BT Labs ở Anh, là làm biến đổi pha của photon. Trong phương pháp này, các xung laser yếu được Alice bơm vào giao thoa kế. Bằng cách thiết đặt điện thế khác cho “điều biến pha” ở một cánh của giao thoa kế, Alice có thể mã hóa các bit dưới dạng sự lệch pha giữa hai xung ló ra gửi đến Bob – ví dụ với 0 o biểu diễn cho “0” và 180 o biểu diễn cho “1”. Sau đó, Bob cho truyền xung qua một giao thoa kế khác và xác định máy dò nào trong số hai máy dò của anh ta, tương ứng với “0” và “1”, mà chúng ló ra tại đó (xem hình 2). Để cho kế hoạch này hoạt động được, chúng ta phải giữ cho chiều dài tương đối của các đường truyền giao thoa trong giao thoa kế của Alice và của Bob ổn định đến vài chục nano mét. Tuy nhiên, sự thay đổi nhiệt độ chỉ ở một phần mức độ nhỏ cũng làm phá vỡ sự cân bằng này. Một giải pháp tài tình giải quyết vấn đề này được nêu ra vào năm 1997 bởi nhóm Geneva đã đưa tới hệ QKD đầu tiên ổn định cho việc sử dụng ngoài phòng thí nghiệm. Ý tưởng là gửi các xung laser theo một lộ trình vòng tròn từ Bob tới Alice và rồi trở lại Bob sao cho bất kì sự thay đổi nào ở chiều dài tương đối cánh tay giao thoa kế đều bị xóa bỏ. Một hệ QKD dựa trên thiết © hiepkhachquay Chìa khóa dẫn tới nền công nghiệp lượng tử | Trang 5/10 kế này hiện nay đã có bán với giá khoảng 100.000 pound, do công ti spin-out Id Quantique thuộc trường đại học Geneva sản xuất. Hình 2. Khi dùng sợi quang phân bố khóa lượng tử, các giá trị bit thường được mã hóa thành pha của các photon riêng rẽ bằng con đường giao thoa kế. Photon do Alice phát ra có thể truyền bằng một trong hai đường trong giao thoa kế của cô ta, và tương tự qua thiết bị của Bob. Khi đường đi (màu xanh lá) qua vòng lặp ngắn của giao thoa kế của Alice và vòng lặp dài qua giao thoa kế của Bob hầu như cùng đúng độ dài như lộ trình khác (màu tía) qua vòng lặp dài của Alice và vòng lặp ngắn của Bob, thì các đường đi sẽ chịu sự giao thoa quang học. Bằng cách áp đặt một sự trễ pha cho mỗi một trong số hai photon, Alice và Bob có thể xác định được xác suất mà một photon sẽ đi ra tại một trong hai máy dò của Bob – tương ứng với “0” và “1”. Ví dụ, nếu như Bob đặt một sự trễ pha 0 o , thì Alice có thể làm cho photon đó đi ra tại “0” hoặc “1” bằng cách áp đặt sự trễ pha cho bộ phần điều biến của cô ta tương ứng là 0 o hoặc 180 o . Để thi hành giao thức BB84 (xem phần nói về giao thức BB84 bên dưới), Alice áp đặt một trong bốn độ trễ pha có khả năng (-90 o , 0 o , 90 o , 180 o ) cho bộ điều biến của cô ta, trong đó pha 0 o hoặc 90 o biểu diễn cho “0” và pha -90 o hoặc 180 o biểu diễn cho “1”. Trong khi đó, Bob chọn một pha 0 o hoặc 90 o để tiến hành các đo đạc của anh ta. Nếu sự chênh lệch giữa pha của Alice và của Bob là 0 o hoặc 180 o thì chọn lựa của họ tương thích với nhau, còn nếu nó là ± 90 o thì họ không tương hợp nhau và Bob sẽ đo được một giá trị bit ngẫu nhiên. Sử dụng một kênh truyền thông cổ điển, Bob và Alice có thể gởi đi sự chọn lựa tương thích của họ hình thành nên một khóa bảo mật chia sẻ. Tại phòng thí nghiệm Toshiba ở Cambridge, chúng tôi đã phát triển một kĩ thuật đền bù khác cho phép các xung được gửi chỉ theo một chiều, bằng cách gửi một xung tham chiếu chưa qua điều biến cùng với mỗi xung tín hiệu. Các xung tham chiếu này được dùng như tín hiệu phản hồi cho dụng cụ căng dài tự nhiên sợi quang trong một trong hai cánh tay của giao thoa kế để bù lại cho bất kì sự thay đổi nào do nhiệt độ. Trong các thử nghiệm với máy mạng Verizon, hệ QKD một chiều hoạt động liên tục trong một tháng trời mà không yêu cầu bất cứ sự điều chỉnh thủ công nào. Chúng ta có thể ước định hiệu suất của hệ QKD bằng tốc độ mà các bit an toàn có thể được trao đổi. Tốc độ bit an toàn càng nhanh, thì khóa có thể thay đổi càng thường xuyên hơn, do đó hạn chế được sự giải mã. Tốc độ bit an toàn điển hình cho các hệ QKD hoàn chỉnh là trong ngưỡng 10-50 kbit/s cho đường dẫn sợi 20 km. Mặc dù con số này trông có vẻ thấp so với tốc độ dữ liệu truyền đi trong viễn thông quang học (thường là 1-40 Gbit/s), nhưng nó cũng đủ cho 200 khóa mã hóa AES (mỗi khóa chứa 256 bit) gửi đi trong một giây – cũng đủ cho những ứng dụng mã hóa thông dụng nhất. Tốc độ bit an toàn có thể thu được giảm theo chiều dài của đường liên kết quang do sự tán xạ của các photon ra khỏi sợi quang. Vì lí do này, hiệu suất tốt nhất thường thu được khi sử dụng các photon có bước sóng 1,55 µm, tại bước sóng đó, sợi quang chuẩn là trong suốt nhất. Tuy nhiên, khi sợi quang quá dài tốc độ tín hiệu trở nên sánh được với tốc độ đếm sai trong máy dò photon của Bob, nên việc gửi một khóa an toàn không còn thực hiện được. Đối với các máy dò bán dẫn chuẩn © hiepkhachquay Chìa khóa dẫn tới nền công nghiệp lượng tử | Trang 6/10 indiuum gallium arsenide (InGaAs) dùng để phát hiện các photon 1,55 µm, khoảng cách này hiện nay là khoảng 120 km. Mới đây, nhóm nghiên cứu Los Alamos đã sử dụng một máy dò bán dẫn độ nhiễu thấp để mở rộng khóa an toàn cho sợi quang dài 150 km. Điều đặc biệt quan trọng là những khoảng cách này là đủ dài cho hầu hết mọi khẩu độ lặp tìm thấy trong các mạng cáp quang ngày nay. Mặc dù rủi ro của việc giải mã đã được giảm bớt bởi việc sử dụng QKD thường xuyên làm tươi khóa mã hóa, nhưng nó không hoàn toàn bị loại trừ. Tuy nhiên, điều này có thể thu được bằng cách mã hóa tin nhắn sử dụng “đệm cựu” yêu cầu một số khóa ngẫu nhiên chứa cùng số bit như tin nhắn. Mỗi bit của tin nhắn được mã hóa bằng cách cộng nó với bit tương ứng trong khóa bằng số học. Cho rằng sự phân bố khóa là tuyệt đối an toàn, khi nó sử dụng QKD, và khóa chưa hề bị chặn lại, thì đệm cựu hoàn toàn không bị tấn công. Mặt khác thì chiều dài của khóa phải bị hoán đổi. Tốc độ bit QKD đủ cho phép sự truyền thông tiếng nói tuyệt đối an toàn bằng đệm cựu. Trong tương lai, tốc độ bit cao hơn sẽ cho phép sự an toàn này được mở rộng cho những dạng dữ liệu khác. Tốc độ bit hiện nay bị hạn chế bởi mức độ thường xuyên mà máy dò InGaAs có thể phát hiện một photon, hiện nay là một trong mỗi 100 ns. Máy dò photon nền silicon có thể hoạt động hầu như nhanh hơn 1000 lần, nhưng chúng chỉ nhạy với các photon bước sóng ngắn hơn. Khi chất lượng của máy dò InGaAs được cải thiện trong vòng vài ba năm tới, chúng ta có thể chờ đợi tần số của chúng bắt kịp với silicon, dẫn tới tốc độ bit QKD có bậc độ lớn cao hơn. Trong thời gian chuyển tiếp, có những kết quả đáng khích lệ cho thấy các tinh thể phi tuyến có thể được dùng để làm lệch các photon 1,55 µm sang những bước sóng ngắn hơn mà với chúng máy dò silicon nhanh hơn có thể được sử dụng. Tốc độ dò cao hơn cũng đã được chứng minh bằng máy dò dây nano siêu dẫn, và những tiến bộ mới đây với máy dò trên nền chấm lượng tử cũng rất đáng khích lệ. Tiến tới một mạng lượng tử Một trong những ứng dụng thực tế đầu tiên của QKD là bảo mật liên kết sợi quang giữa các địa điểm tương quan trong một thành phố. Các công ti đang tăng cường sử dụng các kết nối quang băng thông rộng giữa các văn phòng, trung tâm số liệu, trạm server và các vị trí phục hồi thảm họa để thu được tốc độ và sự tiện lợi của một mạng cục bộ trên một diện tích địa lí rộng hơn. Trong những ngày đầu của việc triển khai sợi quang, sự miễn dịch đối với việc “bòn rút” dữ liệu nhạy cảm thường được xem là một sự thuận lợi chủ yếu so với sợi cáp đồng. Nhưng trong thực tế, việc nghe trộm về phía sợi quang là trích lấy một phần ánh sáng; và, trong sự vắng mặt của mật mã lượng tử, nó hầu như không thể bị phát hiện. Tại Toshiba, chúng tôi đã phát triển một “máy mã hóa liên kết” có thể gửi dữ liệu ở tốc độ 1 Gbit/s giữa các điểm liên hợp, kết hợp sự mã hóa dữ liệu AES với sự phân bố khóa an toàn bằng QKD một chiều (xem hình 3). Trong khi đó, id Quantique loan báo rằng sẽ thiết đặt bộ mã hóa liên kết “Vectis” của mình giữa hai trung tâm của công ti lưu trữ dữ liệu IX Europe ở Zurich. Ở Mĩ, MagiQ Technologies mới đây đã phát triển liên kết mã hóa riêng của mình, nhắm tới mục tiêu là các ứng dụng chính phủ, gồm các ứng dụng quân sự, hội nghị thông minh, và quốc phòng. © hiepkhachquay Chìa khóa dẫn tới nền công nghiệp lượng tử | Trang 7/10 Hình 3. Hệ thống mật mã lượng tử của Toshiba gồm hai hộp quang và điện, đặt ở hai nơi liên kết với nhau bằng sợi quang và được thiết kế nămg gọn bên trong giá truyền thông chuẩn. Toàn bộ dữ liệu cho một đơn vị được mã hóa và truyền qua sợi quang đến đơn vị đó ở vị trí khác, nơi chúng được giải mã. Một bước tiếp theo quan trọng sẽ mở rộng QKD từ một liên kết điểm-điểm thành một “mạng lượng tử” cho sự phân bố khóa. Mạng cho phép công ti kết nối nhiều nơi một cách an toàn và thêm vào những nơi mới với chi phí tăng thêm. Ngoài ra, chúng cho phép quy mô QKD tăng lên từ chiều dài của một liên kết sợi quang đến bất kì khoảng cách nào mà mạng bao phủ, và bảo vệ chống lại sự mất mát của từng liên kết một bởi lưu lượng gửi tự động xung quanh chúng. Tháng 10 năm 2003, BBN Technologies đã thiết đặt một mạng QKD thô sơ nhưng tiên phong ở Cambridge, Massachusetts, nối vị trí của họ với trường đại học Harvard và Boston. Công ti cho thấy có khả năng lái dòng đơn photon giữa những đơn vị nhận khác nhau bằng một công tắc quang, và nó cũng nêu ra ý tưởng “sự trễ khóa” theo chuỗi nút tin cậy. Ở đây, mỗi cặp nút liền kề trong chuỗi chứa khóa cục bộ riêng của nó. Một khóa toàn cầu khi đó có thể được gửi từ đầu này của chuỗi đến đầu kia, trên bất cứ khoảng cách nào, bằng cách sử dụng các khóa cục bộ và đệm cựu mã hóa từng bước nhảy. Một hệ phức tạp hơn hiện nay đang trong quá trình phát triển bởi consortium SECOQC châu Âu, một chương trình hợp tác của các nhà nghiên cứu QKD hàn lâm và công nghiệp, những người viết mật mã cổ điển và các kĩ sư truyền thông. Người ta đang phát triển các giao thức yêu cầu cho sự định tuyến, lưu trữ và điều khiển các khóa bên trong một mạng lưới về nguyên tắc có thể rất rộng. Một sự thực hiện thử nghiệm mạng lượng tử đã được lên kế hoạch trong năm 2008 sẽ cho phép hai người dùng ở một vài địa điểm hai bên thành Vienna thiết lập một khóa chia sẻ. Các hệ thống QKD này thừa nhận rằng các nút trung gian là an toàn, chúng có tính thực tiễn nếu như hệ thống được điều hành bởi một nhà cung cấp dịch vụ đơn lẻ. Tuy nhiên, trong tương lai, chúng ta có thể nới rộng điều kiện này bằng một dụng cụ gọi là “bộ lặp lượng tử”. Bộ lặp lượng tử hoạt động trên nguyên tắc “truyền thông” lượng tử, nhờ đó một trạng thái lượng tử được dịch chuyển từ nơi này sang nơi khác, về nguyên tắc là trên khoảng cách tùy ý, bằng cách sử dụng một cặp hạt bị bẫy. Những phát triển mới đây như dụng cụ bán dẫn dùng để phát ra các cặp photon bị bẫy và truyền các trạng thái lượng tử giữa các photon và nguyên tử mang bộ lặp lượng tử ngày càng tiến gần hơn đến thực tiễn. Trong khi đó, một phương án khác là sử dụng hệ thống cáp quang để gửi các khóa lượng tử trên những khoảng cách xa có thể sử dụng các liên kết không gian tự © hiepkhachquay Chìa khóa dẫn tới nền công nghiệp lượng tử | Trang 8/10 do đến các vệ tinh viễn thông quỹ đạo thấp. Năm 2006, một sự cộng tác giữa các nhà nghiên cứu tại trường đại học Vienna, Munich và Bristol đã tiến hành một liên kết không gian tự do trên 144 km giữa Tenerife và La Palma. Buôn bán mật mã lượng tử Từ bằng chứng đầu tiên trong phòng thí nghiệm trên 30 cm không khí cho tới các hệ thống cáp quang mới nhất hoạt động trên 100 km, QKD chắc chắn đã phát triển một bước dài trong hai thập kỉ vừa qua. Công nghệ đó đã thu gọn vào kích thước của thiết bị mạng điển hình và hoàn toàn tự động. Nhưng bất chấp những tiến bộ kĩ thuật, vẫn có những rào cản đáng kể cho việc chấp nhận các công nghệ mã hóa mới. Một vấn đề có liên quan tới QKD là việc buôn bán công nghệ dựa trên cơ học lượng tử cho các khách hàng thường biết chút ít về vật lí và đã quen với mật mã truyền thống. Một trở ngại khác là sự thiếu quá trình chứng nhận an toàn cho thiết bị. Người sử dụng phải được đảm bảo QKD không những tốt về mặt lí thuyết, mà còn được bổ sung an toàn bởi các đại lí cung cấp. Điều đáng khích lệ là có một vài sáng kiến đang trong quá trình thiết lập các chuẩn an toàn chung cho QKD. Khi thị trường cho QKD phát triển, chúng ta có thể mong rằng giá của thiết bị sẽ giảm đi nhiều. Trong vòng 10 năm, chúng ta có thể nhìn thấy QKD không những được dùng trong các mạng tương quan và chính phủ, mà còn trong các mạng phục vụ người dùng gia đình. Sợi quang đã được sử dụng để phân phát dịch vụ truyền hình, điện thoại và Internet cho những người dùng trong nhà ở một vài quốc gia. Mặc dù các hệ thống QKD hiện nay là quá đắt cho những ứng dụng như thế, nhưng chúng có thể trở nên đứng vững nếu như sự tối thiểu hóa đến kích thước micro chip và khối lượng sản xuất dẫn tới sự giảm giá thành như mong đợi. Ngày mà các sản phẩm của nền công nghiệp thông tin lượng tử phục vụ các hộ gia đình có lẽ không phải là quá xa. Giao thức BB84 © hiepkhachquay Chìa khóa dẫn tới nền công nghiệp lượng tử | Trang 9/10 Mật mã lượng tử là một phương pháp phát ra một khóa bảo mật chia sẻ cỏ thể dùng để mã hóa và giải mã tin nhắn, chẳng hạn bằng cách mã hóa thông tin thành trạng thái phân cực của từng photon. Trong giao thức BB84, người gửi (Alice) truyền các photon đến người nhận (Bob) theo một trong bốn trạng thái phân cực khác nhau: ngang (H), dọc (V), chéo (D, 45 o ), và chéo ngược lại (A, -45 o ). Đối với mỗi photon mà cô ta gửi đi, Alice chọn ngẫu nhiên một trong những trạng thái phân cực này, với H hoặc D biểu diễn cho giá trị bit “0” (màu đỏ) và V hoặc A biểu diễn “1” (màu lam), tùy thuộc vào “cơ sở” mà cô ta chọn. Để đo các photon, Bob được trang bị một máy phân tích có thể phân biệt giữa H và V (+) hoặc giữa A và D (x). Anh ta chọn ngẫu nhiên (và độc lập với Alice) máy phân tích mà anh ta sẽ dùng để đo từng photon. Nếu như Bob chọn một máy phân tích sánh được với sự chọn lựa của Alice (ở trên), anh ta sẽ xác định được sự phân cực của photon, và như thế là nắm được giá trị bit. Mặt khác, nếu như Bob đo với một máy phân tích “sai” (ở giữa) anh ta sẽ thu được một kết quả ngẫu nhiên. Vấn đề trông có vẻ khó giải quyết nếu như phân nửa phép đo của Bob thu được là giá trị bit ngẫu nhiên. Tuy nhiên, Alice và Bob có một giải pháp xảo quyệt. Sau khi phép đo của Bob xảy ra, anh ta tiết lộ chuỗi máy phân tích mà anh ta đã dùng. Alice khi đó bảo cho anh ta biết số lần anh ta sử dụng máy phân tích chính xác, mà không cần tiết lộ bit mà cô ta đã gửi đi. Sau đó họ có thể loại bỏ các phép đo mà Bob dùng máy phân tích sai, đảm bảo rằng họ chia sẻ cùng một chuỗi bit mà không có sai sót nào (nếu như không bị nhiễu). Gilles Brassard (trái) and Charles Bennett Sự gửi có chọn lọc này mang lại cho kẻ nghe trộm (Eve) điều bất lợi, vì cô ta phải đoán máy phân tích nào dùng để đo từng photon (phía dưới). Chắc chắn Eve sẽ thỉnh thoảng chọn được một máy phân tích không phù hợp với sự chọn lựa phân cực của Alice, và như vậy có thể thu được một kết quả khác với bit mà Alice gửi đi. Yếu tố then chốt của sự bảo mật của mật mã lượng tử là bằng cách thực hiện phép đo này, Eve chắc chắn làm thay đổi trạng thái lượng tử của photon. Do đó, khi Bob nhận được photon, anh ta sẽ thỉnh thoảng xác định một giá trị bit không đúng ngay cả khi anh ta và Alice sử dụng các phép đo phù hợp nhau. Bằng cách giải một mẫu nhỏ trong chuỗi bit của họ để tìm lỗi, Alice và Bob có thể xác định là kẻ nghe trộm có xuất hiện hay không. Tóm lược • Trạng thái lượng tử của từng hạt hạ nguyên tử có thể được sử dụng để mã hóa thông tin, mở ra những ứng dụng trong lĩnh vực truyền thông và điện toán. • Ứng dụng sung mãn nhất của thuyết lượng tử cho việc xử lí thông tin là mật mã lượng tử, với sản phẩm đã có mặt trên thị trường. © hiepkhachquay Chìa khóa dẫn tới nền công nghiệp lượng tử | Trang 10/10 • Mật mã lượng tử, cũng còn gọi là sự phân bố khóa lượng tử, cho phép chúng ta gửi tin nhắn đã mã hóa đảm bảo an toàn, vì nó cho phép phát hiện ra kẻ nghe trộm. • Tin nhắn an toàn được gửi đi trên khoảng cách vượt quá 100 km bằng mật mã lượng tử có các photon mang bởi sợi quang. • Bước phát triển tiếp theo sẽ là thiết lập một “mạng lượng tử” có khả năng cho phép mật mã lượng tử bao phủ các thành phố và toàn bộ địa cầu. Tác giả: Andrew Shields và Zhiliang Yuan (Physics World, tháng 3/2007) hiepkhachquay dịch (An Minh, ngày 22/7/2007, 9:34:40 PM) . © hiepkhachquay Chìa khóa dẫn tới nền công nghiệp lượng tử | Trang 1/10 CHÌA KHÓA DẪN TỚI NỀN CÔNG NGHIỆP LƯỢNG TỬ Công nghệ khai thác các quy luật kì lạ của cơ học lượng tử để đảm bảo sự. mật mã lượng tử, với sản phẩm đã có mặt trên thị trường. © hiepkhachquay Chìa khóa dẫn tới nền công nghiệp lượng tử | Trang 10/10 • Mật mã lượng tử, cũng còn gọi là sự phân bố khóa lượng tử, cho. tổn hại các khóa do tự ý hoặc bị ép buộc tiết lộ. Trái lại, mật mã lượng tử, hay sự © hiepkhachquay Chìa khóa dẫn tới nền công nghiệp lượng tử | Trang 3/10 phân phối khóa lượng tử chính xác