Hệ thống phân phối khóa lượng tử đa kênh từ vệ tinh sử dụng SCM-WDM

Phân phối khóa lượng tử QKD (Quantum Key Distribution) là giải pháp có khả năng đảm an ninh vô điều kiện nhờ áp dụng luật cơ lượng tử để phân phối khóa an toàn giữa hai bên hợp pháp với sự hiện diện của kẻ nghe lén. Nghiên cứu này đề xuất mô hình hệ thống QKD đa kênh dựa trên ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM (Wavelength Division Multiplexing) và ghép kênh sóng mang phụ SCM (Sub Carrier Multiplexing) nhằm tăng SKR.

Nghiên cứu khoa học công nghệ HỆ THỐNG PHÂN PHỐI KHÓA LƯỢNG TỬ ĐA KÊNH TỪ VỆ TINH SỬ DỤNG SCM-WDM Phan Thị Thu Hằng1, Đặng Tiến Sỹ2, Phạm Thị Thúy Hiền3*, Đặng Thế Ngọc3 Tóm tắt: Phân phối khố lượng tử QKD (Quantum Key Distribution) giải pháp có khả đảm an ninh vô điều kiện nhờ áp dụng luật lượng tử để phân phối khóa an toàn hai bên hợp pháp với diện kẻ nghe Sử dụng vệ tinh để phân phối khóa lượng tử tới trạm mặt đất qua kênh quang không gian tự FSO (Free Space Optic) giải pháp hứa hẹn tạo mạng QKD phạm vi toàn cầu Tuy nhiên, ảnh hưởng kênh FSO, đặc biệt nhiễu loạn khí quyển, tốc độ truyền khóa bí mật SKR (Secret Key Rate) hệ thống QKD bị hạn chế Do đó, nghiên cứu đề xuất mơ hình hệ thống QKD đa kênh dựa ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM (Wavelength Division Multiplexing) ghép kênh sóng mang phụ SCM (Sub Carrier Multiplexing) nhằm tăng SKR Sử dụng phương pháp phân tích lý thuyết với cơng cụ giải tích xác suất, nhóm tác giả xây dựng cơng thức tính tốn SKR tỉ lệ lỗi bit lượng tử hệ thống đề xuất Kết khảo sát hiệu cho thấy, hệ thống QKD đa kênh cho phép cải thiện SKR so với hệ thống đơn kênh đảm bảo yêu cầu QBER (Quantum Bit Error Rate) Từ khóa: Quang qua khơng gian tự (FSO); Phân phối khóa lượng tử (QKD); Phân phối khóa lượng tử đa kênh MỞ ĐẦU Một giải pháp khả thi để bảo mật Internet tương lai phân phối khóa lượng tử (QKD), phương pháp phân phối khóa bí mật qua mạng dựa vật lý lượng tử thay độ phức tạp toán học Động lực cho nghiên cứu QKD là, theo lý thuyết bảo mật dựa lý thuyết thông tin Shannon [1], bảo mật vơ điều kiện (hay cịn gọi hồn hảo) đạt sử dụng khóa dài (đối xứng) lần [2] Do đó, với phương thức bảo mật để phân phối khóa, đạt bảo mật vô điều kiện mạng truyền thông QKD dựa sợi quang nghiên cứu rộng rãi nhiều triển khai thực nghiệm ghi nhận [3] Tuy nhiên, giải pháp áp dụng cho trạm cố định có kết nối sợi quang Thực tế, có nhiều ứng dụng kịch bản, đó, người dùng khơng thể kết nối sợi quang Những người dùng bao gồm trạm di động, chẳng hạn phương tiện mặt đất (xe lửa, xe tự lái xe tải, v.v.) máy bay không người lái UAV (Unmanned Aerial Vehicle) mạng xe cộ trạm cố định nơi lắp đặt sợi quang không thuận lợi, chẳng hạn trạm gốc mạng di động mật độ cao số nơi vùng sâu vùng xa (hải đảo, miền núi,…) Trong trường hợp này, cần có phương pháp QKD khơng dây, đó, QKD qua khơng gian tự do, phương tiện truyền thông quang linh hoạt hiệu quả, lên giải pháp phù hợp [4, 5] Trong thiết kế phát triển hệ thống QKD qua không gian tự do, vấn đề thách thức rõ ràng tác động điều kiện khí quyển, bao gồm hấp thụ, tán xạ nhiễu loạn khí quyển, làm hạn chế khoảng cách truyền dẫn tốc độ truyền khóa bí mật Trong thập kỷ qua, nhiều nghiên cứu dành cho việc thiết kế triển khai hệ thống QKD qua không gian tự dựa vệ tinh, nhiên, thách thức việc thực hệ thống QKD khơng gian tự có hiệu độ tin cậy cao Vào năm 2017, trình diễn thử nghiệm QKD từ trạm phát mặt đất đến máy bay di chuyển ghi nhận với khoảng cách – 10 km tạo khóa bí mật có chiều dài 868 kilobyte [4] Cuối năm đó, BB84 triển khai thành công qua liên kết từ vệ tinh Micius đến trạm mặt đất Trung Quốc Áo Các khóa kết hợp kết sử dụng để truyền hình ảnh video Bắc Kinh (Trung Quốc) Vienna (Áo) [5] Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 72, 04 - 2021 35 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Mặc dù có nhiều nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm QKD, nghiên cứu tập trung chủ yếu hệ thống QKD đơn kênh Lý hệ thống QKD thơng thường sử dụng phương thức mã hóa biến rời rạc DV (Discrete Variable), thơng tin khóa mã hóa vào trạng thái rời rạc photon [2], đòi hỏi phải sử dụng thiết bị tách đơn photon phức tạp khó thực hệ thống thông tin quang đơn kênh đa kênh Một hệ thống ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) ba kênh sử dụng đồng thời đi-ốt quang thác thu đơn photon thử nghiệm đạt tốc độ truyền khóa bí mật 208 kbit/s qua 45 km sợi quang trường với mức suy hao 14,5 dB [6] Ngược lại, hệ thống QKD mã hóa thơng tin khóa vào biến liên tục CV (Continuous Variable) trạng thái kết hợp chuyển tải biên độ và/hoặc pha xung ánh sáng yếu điều chế sóng mang phụ dễ thực tương thích với cơng nghệ viễn thơng quang tiêu chuẩn cho phép tốc độ tạo khóa cao [7-9] Tận dụng ưu điểm CV-QKD, Jian Fang cộng đề xuất hệ thống CV-QKD đa kênh sử dụng ghép kênh sóng mang phụ (SCM) Hệ thống cho phép phân phối nhiều kênh CV-QKD độc lập qua sợi quang với nguồn laser nhiều điều chế pha [10] Tương tự, kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) đề xuất cho hệ thống CVQKD từ vệ tinh tới trạm mặt đất thông qua kênh quang không gian tự (FSO) [11] Giải pháp sử dụng nhiều sóng mang phụ truyền tải song song thay truyền dẫn đơn kênh Việc sử dụng kỹ thuật ghép kênh nêu trên, bản, giúp cải thiện tốc độ truyền khóa hệ thống QKD Tuy nhiên, nhằm đạt cải thiện vượt trội tốc độ truyền khóa bí mật hệ thống QKD, báo này, đề xuất hệ thống CV-QKD đa kênh từ vệ tinh sử dụng kết hợp hai kỹ thuật ghép kênh SCM WDM (SCM-WDM) Trong đó, chuỗi bit khóa trước tiên phân thành nhiều luồng song song để điều chế lên sóng mang phụ Tiếp theo, nhóm N sóng mang phụ kết hợp lại để điều chế nguồn quang laser bước sóng xác định Với số lượng bước sóng M, điều kiện khơng có xun nhiễu kênh, tốc độ truyền khóa tăng tối đa N  M lần Nhằm đánh giá tính khả thi hệ thống đề xuất, sử dụng phương pháp phân tích lý thuyết với cơng cụ giải tích xác suất nhằm xây dựng cơng thức tính tốn SKR tỉ lệ lỗi bit lượng tử (QBER) hệ thống Các thông số đánh giá điều kiện hệ thống chịu tác động nhiễu loạn khí Đồng thời, ảnh hưởng loại tạp âm máy thu nhiễu xuyên kênh tính đến trong mơ hình phân tích hiệu Phần báo bố cục sau Mơ hình hệ thống QKD đa kênh sử dụng SCM-WDM kênh truyền FSO mô tả Phần Phần trình bày bước phân tích hiệu hệ thống Các kết khảo sát hiệu bàn luận trình bày Phần Cuối phần kết luận HỆ THỐNG QKD ĐA KÊNH TỪ VỆ TINH SỬ DỤNG SCM-WDM 2.1 Mơ hình hệ thống Mơ hình hệ thống QKD đa kênh sử dụng SCM-WDM từ vệ tinh tới trạm mặt đất minh họa hình Vệ tinh đóng vai trị máy phát (thường đặt tên Alice) trạm mặt đất đóng vai trị máy thu (gọi Bob) kết nối với qua kênh quang khơng gian tự Khóa thơ, chuỗi bit ngẫu nhiên, tạo vệ tinh phân thành N  M luồng song song nhờ chuyển đổi nối tiếp/song song (S/P), luồng mã hóa biến liên tục vào sóng mang phụ (fi,  i  N) nhờ điều chế khóa dịch pha nhị phân BPSK-Mod (Binary Phase Shift Keying), nhóm N sóng mang kết hợp lại điều chế vào số M bước sóng (j,  j  M) tạo nguồn laser LD (Laser Diode) thông qua điều chế ngồi (EM) M bước sóng ghép lại nhờ ghép kênh quang OMUX (Optical Multiplexer) Tín hiệu quang đầu OMUX đưa tới thấu kính phát truyền 36 P.T.T Hằng, …, Đ T Ngọc, “Hệ thống phân phối khóa lượng tử … sử dụng SCM-WDM.” Nghiên cứu khoa học công nghệ qua kênh FSO tới trạm mặt đất Tại trạm mặt đất, tín hiệu quang thu thấu kính thu trước tiên đưa qua tách kênh theo bước sóng quang ODEMUX (Optical Demultiplexer) để tách M kênh bước sóng riêng biệt Mỗi kênh bước sóng chuyển đổi thành tín hiệu điện nhờ phơ-tơ đi-ốt PD (Photodiode) trước đưa qua N giải điều chế (BPSK-DeMod) để tách N chuỗi bit chọn lọc N  M chuỗi bit chọn lọc kết hợp lại nhờ chuyển đổi song song/nối tiếp P/S (Parallel/Serial) để tạo thành khóa chọn lọc Alice Bob thống sử dụng q trình mã hóa giải mã số liệu f1 BPSK-Mod f1 1 LD BPSK-DeMod FSO channel BPSK-Mod M LD PD BPSK-DeMod P/S EM fN f1 Bob 1X01X10X… BPSK-DeMod … … M fN BPSK-Mod … BPSK-Mod ODEMUX OMUX f1 … 10010101… S/P Alice 1 … … PD EM fN fN BPSK-DeMod Hình Mơ hình hệ thống QKD đa kênh sử dụng SCM-WDM 2.2 Nguyên lý CV-QKD Trong cơng trình nghiên cứu này, chúng tơi sử dụng phương thức mã hóa QKD biến liên tục dựa kỹ thuật điều chế sóng mang phụ sử dụng khóa dịch pha nhị phân (BPSK) chế tách ngưỡng kép (DT) phía thu Phương thức CV-QKD đề xuất khảo sát cho kịch hệ thống QKD đơn kênh FSO mặt đất [12] Trong hình 1, mã hóa lượng tử biến liên tục thực khối BPSK-Mod, phần giải mã tách ngưỡng kép thực khối BPSK-DeMod Trước tiên, vệ tinh (Alice), chuỗi nhị phân ngẫu nhiên d(t) tạo ra, chuyển sang định dạng xung sau đó, điều chế kỹ thuật BPSK Trong BPSK, sóng mang phụ có hai pha khác biệt 1800 sử dụng để biểu thị bit “0” “1” Cơng thức biểu diễn tín hiệu BPSK kênh sóng mang phụ thứ i sau: Si  t   A t  g  t  cos  2 fi t  ak   , (1) đó, A(t) biên độ sóng mang, g(t) hàm định dạng xung hình chữ nhật, fi tần số sóng mang ak {0, 1} bit nhị phân thứ k Để đơn giản hóa việc phân tích, cơng suất S(t) giả định Sau đó, giá trị dương âm tín hiệu BPSK cộng thêm dòng thiên áp chiều DC Lý đi-ốt laser (LD) sử dụng để tạo sóng quang liên tục điều chế tín hiệu dương Sau điều chế quang, cơng suất phát búp sóng laser biểu diễn sau: N Pp   PS  t   1    Si  t   , (2)  i 1  đó, Pp cơng suất phát đỉnh,  độ sâu điều chế cường độ với (0 <  < 1) Sau đó, tín hiệu ghép theo bước sóng, khuếch đại thấu kính phát với hệ số khuếch đại GTx sau đó, truyền qua kênh FSO Tại máy thu trạm mặt đất (Bob), đi-ốt quang thác APD (An Avalanche Photodiode) sử dụng để chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện Dịng tách quang cho kênh sóng mang phụ biểu diễn sau: Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 72, 04 - 2021 37 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử PR 1   Si  t   n  t  , (3)  đó, ℜ đáp ứng MA độ lợi APD ht hệ số kênh đặc trưng cho kênh FSO n(t) dịng điện tạp âm máy thu PR cơng suất thu cực đại trạm mặt đất Sau giải điều chế BPSK, tín hiệu từ thành phần tần số cao bị loại bỏ cách sử dụng lọc thông thấp LPF (Low Pass Filter) Đầu LPF tín hiệu băng tần sở mong muốn sau [12]:   i0   M A ht PR  n  t  , (4)  i   M  h P  n  t  A t R  đó, i0 đại diện cho tín hiệu nhận bit “0” i1 dòng điện nhận phát bit “1” Tổng phương sai tạm âm bao gồm tạp âm lượng tử, tạp âm nhiệt nhiễu xuyên kênh biểu diễn sau:  n2  2qM A2 FA  PR  Pb  Be , (5) 4k T  B Fn Be  2( NM  1) Be c 2C X PR2 RL đó, q điện tích, Be = Rb/2 băng thông nhiễu hiệu dụng, Rb tốc độ bit, kB số Boltzmann, T nhiệt độ máy thu, RL điện trở tải, FA = kAMA + (2 - 1/MA) (1 - kA), đó, kA hệ số ion hóa APD [13] Nhiễu xuyên kênh gây giao thoa (N - 1) kênh sóng mang phụ cịn lại hệ thống lên kênh sóng mang phụ xét, đó, c = 1/Bo với Bo độ rộng băng thông quang CX tỉ số công suất xuyên kênh Trong công thức (5), nhiễu xuyên kênh xét trường hợp xấu nhất, có ảnh hưởng mạnh nhất, pha tín hiệu từ kênh khác trùng với pha tín hiệu kênh sóng mang phụ xét Tín hiệu sau giải điều chế đưa qua tách ngưỡng kép (DT) gồm hai mức ngưỡng d0 d1 Để đưa định, giá trị tín hiệu thu so sánh với mức ngưỡng Có ba trường hợp xảy bao gồm: thấp d0, cao d1 d0 d1 Nhờ sử dụng ngưỡng kép, máy thu định tương ứng bit nhận “0”, “1” “X” Sự xuất “X” chuỗi bit khôi phục thể số bit chuyển từ Alice tới Bob không khôi phục thành công Đây tính chất đặc trưng cho kênh lượng tử Sau kết thúc q trình khơi phục bit, Bob thơng báo cho Alice biết vị trí xác bit chuỗi khôi phục thành công, bit “0” “1”, qua kênh công khai Dựa thông báo Bob, Alice tạo khóa chọn lọc dựa bit vị trí khơi phục thành công 2.3 Kênh FSO Một kênh FSO từ vệ tinh đến mặt đất thường đặc trưng theo ba tham số bao gồm suy hao khơng gian tự do, suy hao khí nhiễu loạn khí Hai tham số thường coi không đổi khoảng thời gian bit Do đó, tác động chúng giảm thiểu cách điều khiển công suất và/hoặc hệ số khuếch đại Tham số cuối đại diện cho nhiễu loạn khí thay đổi ngẫu nhiên Nhiễu loạn khí biểu thị hệ số kênh (ht), mơ hình hóa dạng phân phối Gamma-Gamma Hàm phân bố xác suất PDF (Probability Density Function) ht với điều kiện ht > cho sau [14]: i p  t   M A ht f ht              ht    1   K    ht , (6) đó, thơng số   đặc trưng tương ứng cho ảnh hưởng xoáy nhiễu cỡ lớn nhỏ Hàm Bessel sửa đổi loại thứ hai mô tả Kv(.) với bậc ( - ) (.) đại diện cho hàm Gamma Nếu truyền lan giả định lan truyền sóng phẳng,   tính gần 38 P.T.T Hằng, …, Đ T Ngọc, “Hệ thống phân phối khóa lượng tử … sử dụng SCM-WDM.” Nghiên cứu khoa học công nghệ sau [15]:     0, 49 R2   1   exp     1,11 12        1 , (7) 1     0,51 R   1   exp     0,69 12 5        đó,  R2 phương sai Rytov Trong trường hợp đường truyền theo phương nghiêng từ vệ tinh tới trạm mặt đất, phương sai Rytov tính sau:  R2  2,25k sec   11  HS HG Cn2  h  h  H G  dh , 56 (8) đó, k = 2/ số sóng HS HG tương ứng độ cao vệ tinh độ cao trạm mặt đất Tham số cấu trúc số chiết suất Cn2  h  thị cường độ nhiễu loạn Tham số thay đổi theo độ cao, vị trí địa lí thời gian ngày Trong nghiên cứu này, sử dụng mơ hình Hufnagel-Valley để xác định giá trị tham số Cn2  h  sau: 10 h     C  h   0,00594   105 h  exp     27   1000  , (9) h    h  16 2,7  10 exp     Cn   exp     1500   100  đó, h (m) độ cao  (m/s) tốc độ gió Cn2   xác định cường độ nhiễu loạn mặt đất 2 n PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG Trong truyền thông lượng tử, tỉ lệ lỗi bit lượng tử (QBER) định nghĩa sau [2]: P QBER  error , (10) Psift đó, Perror Psift tương ứng xác suất lỗi xác suất chọn lọc Cụ thể, Psift xác suất mà Bob sử dụng trạng thái phân cực sở Alice để đo photon thu từ Bob giải mã chuỗi bit gọi khóa lọc; Perror xác suất mà có số bit sai khóa chọn lọc, gây đường truyền, tạp âm và/hoặc can thiệp Eve Do đó, QBER xác định tỉ lệ lỗi bit khóa chọn lọc Xác suất lỗi khoảng vài phần trăm, đó, QBER khác nhiều so với giá trị tỉ lệ lỗi bit 10-9 thường biết đến truyền thông quang Kết là, QBER dùng để phân biệt với tỉ lệ lỗi bit (BER) dùng truyền thông quang thông thường Với hệ thống CV-QKD xem xét nghiên cứu này, Psift tương ứng với xác suất mà Bob tách bit “0” “1” nhờ sử dụng tách ngưỡng kép, Perror xác suất mà Bob định sai “0” bit “1” phát ngược lại Các xác suất tính thơng qua xác suất hợp Alice Bob sau: Psift  PA, B  0,0   PA, B  0,1  PA, B 1,0   PA, B 1,1 , (11) Perror  PA, B  0,1  PA, B 1,0  đó, ký hiệu PA,B(a,b) xác suất hợp mà bit “a” (a  {0.1}) Alice tương ứng với bit “b” (b  {0.1}) Bob, định nghĩa là: PA, B  a, b   PA  a  PB A  b a  , (12) Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 72, 04 - 2021 39 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử đó, PA(a) = 1/2 xác suất mà Alice phát bit “0” bit “1”, xác suất giả thiết Xét đến ảnh hưởng pha-đinh nhiễu loạn khí quyển, xác suất hợp A B tính sau: PA, B  a,0     I a  d0  Q  f h  ht  dht 0   n  t , (13)   d0  I a  PA, B  a,1   Q   f h  ht  dht  n  t đó, Q(.) hàm Q dạng Gauss Ia ký hiệu dịng điện tín hiệu thu cho bit “a” xác định sau: I0  M A ht PR , I1  M A ht PR (14) Để xác định giá trị ngưỡng d0 d1, thiết lập giá trị cho ngưỡng sau: d0  E i0    n , d1  E i1    n ’ (15) đó,  hệ số tỉ lệ ngưỡng kép E[.] hàm giá trị trung bình Vì E[ht] = nên giá trị trung bình ia biểu diễn sau [12]: E i0   M A PR , E i1   M A PR (16) Giả thiết mã hóa sửa lỗi sử dụng để đảm bảo không xảy lỗi chuỗi bit khóa chọn lọc, tốc độ truyền khóa bí mật định nghĩa sau: SKR  Rb Psift NC , đó, Rb tốc độ bit đường truyền, Psift kênh sóng mang phụ hệ thống (17) xác suất chọn lọc, NC = N  M tổng số lượng Bảng Các tham số hệ thống Tên Điện trở tải Nhiệt độ máy thu Hệ số ion hóa Bước sóng trung tâm Vận tốc gió Đáp ứng APD Hệ số nhân APD Công suất ánh sáng Hệ số tạp âm Công suất thu Tỉ số công suất xuyên kênh Độ cao vệ tinh Độ cao trạm mặt đất Ký hiệu RL T x    MA Pb Fn PR CX HS HG Giá trị 50  298 K 0,7 (InGaAs APD) 1550 nm 21 m/s 0,8 15 -40 dBm -30 dBm -20 dB 600 km 20 m KẾT QUẢ KHẢO SÁT HIỆU NĂNG Nhằm đánh giá tính khả thi hệ thống CV-QKD đa kênh đề xuất, phần này, tham số hiệu QBER, Psift tốc độ truyền khóa bí mật khảo sát theo tham số hệ thống hệ số tỉ lệ ngưỡng kép, tốc độ bit tổng số lượng kênh sóng mang phụ Các tham số 40 P.T.T Hằng, …, Đ T Ngọc, “Hệ thống phân phối khóa lượng tử … sử dụng SCM-WDM.” Nghiên cứu khoa học công nghệ khác hệ thống sử dụng tính tốn cho bảng Hai kịch nhiễu loạn xem xét kết nghiên cứu bao gồm nhiễu loạn trung bình Cn2  0  1015 nhiễu loạn mạnh Cn2  0  1012 Hình khảo sát QBER Psift theo hệ số tỉ lệ ngưỡng kép hai điều kiện nhiễu loạn Kết cho thấy hai trường hợp, hệ thống đề xuất nghiên cứu đảm bảo tỉ lệ lỗi bit lượng tử yêu cầu 10-3 thông qua việc lựa chọn hệ số tỉ lệ ngưỡng kép phù hợp Ngưỡng QBER  10-3 lựa chọn để đảm bảo chuỗi bit khóa chọn lọc khơng bị lỗi kỹ thuật mã hóa sửa lỗi sử dụng Hình vẽ thể hệ số tỉ lệ ngưỡng kép tăng QBER Psift giảm Trong việc giảm QBER đem lại hiệu tốt việc giảm Psift dẫn đến giảm độ dài khóa chọn lọc tốc độ truyền khóa Hình cho thấy, tỉ số ngưỡng kép QBER = 10-3 tương ứng với Psift đạt 40% với trường hợp nhiễu loạn yếu 10% với hợp nhiễu loạn mạnh C2n = 510-15 C2n = 710-12 10 10 QBER Psift QBER Psift -1 -1 10 Probability Probability 10 -2 10 -3 -3 10 10 -4 10 -2 10 -4 10 DT scale coefficient,  DT scale coefficient,  Hình QBER Psift theo hệ số tỉ lệ DT với Rb = 1,25 Gbit/s NC = Trong hình 3, QBER tốc độ truyền khóa khảo sát theo hệ số tỉ lệ ngưỡng kép điều kiện nhiễu loạn trung bình xét trường hợp truyền dẫn đơn kênh Giải pháp tăng tốc độ truyền khóa bí mật thông qua việc tăng tốc độ bit truyền dẫn kênh khảo sát kết Xét trường hợp Rb = 1,25 Gbit/s, hệ số ngưỡng kép có giá trị tối thiểu 0,25 nhằm đạt QBER  10-3 Tốc độ truyền khóa cực đại ứng với QBER = 10-3 500 Mbit/s Khi hệ số ngưỡng kép tăng, QBER giảm, nhiên, tốc độ truyền khóa giảm tương ứng Psift giảm Cụ thể, QBER = 10-4, tốc độ truyền khóa lượng tử giảm xuống 200 Mbit/s Khi tốc độ bit tăng, QBER tăng băng thông máy thu mở rộng dẫn đến công suất tạp âm tăng Tương ứng với Rb = 2,5 Gbit/s, tốc độ truyền khóa cực đại 200 Mbit/s QBER = 10-3 Như vậy, việc tăng tốc độ bit truyền dẫn từ 1,25 Gbit/s lên 2,5 Gbit/s khiến cho SKR cực đại giảm từ 500 Mbit/s xuống 200 Mbit/s, không giúp cải thiện SKR hệ thống Giải pháp truyền dẫn đa kênh SCM-WDM giúp giải vấn đề Khả cải thiện SKR thông qua giải pháp QKD đa kênh khảo sát hình với điều kiện nhiễu loạn trung bình Trong kết này, tốc độ bit cố định Rb = 1,25 Gbit/s tổng số lượng kênh sóng mang phụ tăng dần, NC = (đơn kênh), 16 Mặc dù số lượng kênh tăng làm tăng ảnh hưởng nhiễu xuyên kênh khơng làm tăng đáng kể QBER Hình vẽ cho thấy, tốc độ truyền khóa cực đại trường hợp hệ thống QKD đơn kênh 500 Mbit/s Xét hệ thống QKD đa kênh với số lượng kênh 16, tốc độ truyền khóa cực đại tương ứng Gbit/s Gbit/s Tốc độ Gbit/s hệ thống QKD đa kênh cải thiện nhiều so với hệ thống QKD đơn kênh đáp ứng yêu cầu sử dụng khóa có độ dài lớn nhằm đảm bảo tính bảo mật cao thơng tin trao đổi qua mạng Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 72, 04 - 2021 41 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 0 10 10 Nc = QBER QBER Rb = 1,25 Gbit/s Rb = 2,5 Gbit/s -2 10 -4 10 0.5 1.5 2.5 DT scale coefficient,  3.5 c 10 10 0.5 DT scale coefficient,  1.5 10 10 Rb = 1,25 Gbit/s SKR (bit/s) SKR (bit/s) N = 16 -4 10 Rb = 2,5 Gbit/s 10 10 Nc = -2 10 Nc = Nc = 10 Nc = 16 0.5 1.5 2.5 DT scale coefficient,  3.5 10 0.5 DT scale coefficient,  1.5 Hình QBER SKR theo hệ số tỉ lệ DT Hình QBER SKR theo DT trường trường hợp nhiễu loạn yếu với NC = hợp nhiễu loạn yếu với Rb = 1,25 Gbit/s KẾT LUẬN Bài báo đề xuất sử dụng kết hợp kỹ thuật ghép kênh sóng mang phụ ghép kênh phân chia theo bước sóng nhằm cải thiện tốc độ truyền khóa bí mật hệ thống CV-QKD từ vệ tinh Tính khả thi giải pháp đề xuất đánh giá thơng qua kết phân tích hiệu Các kết cho thấy rằng, hệ thống QKD đa kênh đề xuất đảm bảo yêu cầu QBER ảnh hưởng tạp âm, nhiễu điều kiện nhiễu loạn khác Đặc biệt, hệ thống cung cấp tốc độ truyền khóa hàng Gbit/s, điều mà hệ thống QKD đơn kênh hệ thống QKD đa kênh trước không thực Khả cung cấp SKR tốc độ Gbit/s có vai trị quan trọng việc tạo khóa bí mật chia sẻ có độ dài lớn nhằm tạo khả an ninh vô điều kiện cho hệ thống truyền thông tương lai Giải pháp QKD đa kênh dựa SCM-WDM cần nghiên cứu nhằm ứng dụng việc phân phối khóa lượng tử từ vệ tinh tới đồng thời nhiều trạm mặt nhằm tạo mạng QKD toàn cầu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] 42 Claude E Shannon “Communication Theory of Secrecy Systems,” Bell System Technical Journal USA: AT&T Corporation, Oct 1949 N Gisin, G Ribordy,W Tittel, and H Zbinden, “Quantum cryptography,” Rev Modern Phys., vol 74, p 145, Mar 2002 B Korzh, et.al., “Provably secure and practical quantum key distribution over 307 km of optical fibre” Nature Photonics, vol 9, no 3, pp.163–168, 2015 C J Pugh, et.al., “Airborne demonstration of a quantum key distribution receiver payload”, Quantum Science and Technology, vol 2, no 2, p 024009, 2017 “China's quantum satellite achieves 'spooky action' at a record distance”, Available online at https://www.sciencemag.org/news/2017/06/china-s-quantum-satellite-achieves-spooky-actionrecord-distance Retrieved 2021-02-15 K Yoshino, M Fujiwara, A Tanaka, S Takahashi, Y Nambu, A Tomita, S Miki, T Yamashita, Z Wang, M Sasaki, and A Tajima, “High-speed wavelength-division multiplexing quantum key distribution system,” Opt Lett 37(2), (2012), pp 223–225 F Grosshans and P Grangier, “Continuous variable quantum cryptography using coherent states,” Phys Rev Lett., vol 88 (2002), Art no 057902 T Ikuta and K Inoue, “Intensity modulation and direct detection quantum key distribution based on quantum noise,” New J Phys., vol 18 (2016), Art no 013018 P.T.T Hằng, …, Đ T Ngọc, “Hệ thống phân phối khóa lượng tử … sử dụng SCM-WDM.” Nghiên cứu khoa học công nghệ C Wang, P Huang, D Huang, D Lin, and G Zeng, “Practical security of continuous-variable quantum key distribution with finite sampling bandwidth effects,” Phys Rev A, vol 2, no 93 (2016), Art no 022315 [10] Fang, J., Huang, P., and Zeng, G., “Multichannel parallel continuous-variable quantum key distribution with Gaussian modulation”, Physical Review A, vol 89, no (2014) [11] W Zhao, Q Liao, D Huang, et al “Performance analysis of the satellite-to-ground continuousvariable quantum key distribution with orthogonal frequency division multiplexed modulation,” Quantum Inf Process, vol 18, no 39 (2019) [12] Phuc V Trinh, Thanh V Pham, Ngoc T Dang, Hung V Nguyen, Soon Xin Ng, and Anh T Pham “Design and Security Analysis of Quantum Key Distribution Protocol over Free-Space Optics Using Dual-Threshold Direct-Detection Receiver,” IEEE Access, vol 6, (2018), pp 4159–4175 [13] G Agrawal, Fiber-optic Communication Systems (4th edition) John Wiley and Sons Ltd., New York, USA, 2010 [14] N A M Nor, E Fabiyi, M M Abadi, X Tang, Z Ghassemlooy and A Burton, “Investigation of moderate-to-strong turbulence effects on free space optics – A laboratory demonstration,” 2015 13th International Conference on Telecommunications, Graz, July 2015, pp 1–5 [15] Z Ghassemlooy, et al., “Free-space optical communication using subcarrier modulation in GammaGamma atmospheric turbulence,” 2007 9th ICTON, Rome, 2007, pp 156–160 [9] ABSTRACT MULTI-CHANNEL SATELLITE QUANTUM KEY DISTRIBUTION SYSTEMS USING SCM-WDM Quantum key distribution (QKD) is a solution capable of achieving unconditional security by applying the law of quantum mechanics to distribute a secure key between two legitimate parties in the presence of an eavesdropper Using satellites to distribute quantum keys to ground stations over a free space optical (FSO) channel is a promising solution in creating a global QKD network However, due to the influence of the FSO channel, especially atmospheric disturbances, the secret key rate (SKR) of current QKD systems is limited Therefore, this study proposes a model of multichannel QKD system based on wavelength division multiplexing (WDM) and subcarrier multiplexing (SCM) to increase the SKR Based on theoretical analysis with the tools of mathematics and probability, the authors have developed formulas to calculate SKR and quantum bit error rate of the proposed system Numerical results show that multichannel QKD systems allow for improved SKR compared to single-channel ones while still meeting QBER requirements Keywords: Free-space optics (FSO); Quantum key distributions (QKD); Mutichannel QKD Nhận ngày 02 tháng năm 2021 Hoàn thiện ngày 06 tháng năm 2021 Chấp nhận đăng ngày 12 tháng năm 2021 Địa chỉ: 1Đại học Công nghiệp Hà Nội; Viện Khoa học Công nghệ quân sự; Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng * Email: hienptt@ptit.edu.vn Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 72, 04 - 2021 43 ... luận HỆ THỐNG QKD ĐA KÊNH TỪ VỆ TINH SỬ DỤNG SCM-WDM 2.1 Mơ hình hệ thống Mơ hình hệ thống QKD đa kênh sử dụng SCM-WDM từ vệ tinh tới trạm mặt đất minh họa hình Vệ tinh đóng vai trị máy phát... độ truyền khóa bí mật hệ thống QKD, báo này, đề xuất hệ thống CV-QKD đa kênh từ vệ tinh sử dụng kết hợp hai kỹ thuật ghép kênh SCM WDM (SCM-WDM) Trong đó, chuỗi bit khóa trước tiên phân thành... hình hệ thống QKD đa kênh sử dụng SCM-WDM kênh truyền FSO mô tả Phần Phần trình bày bước phân tích hiệu hệ thống Các kết khảo sát hiệu bàn luận trình bày Phần Cuối phần kết luận HỆ THỐNG QKD ĐA KÊNH