Truyền tin và video mã hoá lượng tử xuyên lục địa

Trung Quốc và Áo đã sử dụng kết nối qua vệ tinh để trao đổi dữ liệu được mã hóa lượng tử của hình ảnh và video, bước đầu tiên hướng tới “internet lượng tử” an toàn.

Vệ tinh Micius. Nguồn: Jian-Wei Pan

Truyền thông với các tín hiệu số được mã hóa lượng tử có thể an toàn hơn so với truyền thông với các tín hiệu cổ điển thông thường. Điều này thúc đẩy việc thiết lập “internet lượng tử” để bảo vệ dữ liệu toàn cầu. Hiện nay một dự án như vậy tỏ ra khả thi hơn nhờ một cuộc trình diễn, trong đó các nhà nghiên cứu đã chia sẻ hình ảnh và video một cách hoàn toàn bảo mật dựa vào các định luật của cơ học lượng tử giữa các đài quan sát ở Trung Quốc và Áo kết nối với nhau qua một vệ tinh (Hình 1).

Hình 1: Vệ tinh Micius đã chuyển các tín hiệu lượng tử an toàn giữa Trung Quốc và Áo. Hình ảnh cho thấy laser đỏ của Đài quan sát Xinglong theo dõi vệ tinh khi nó di chuyển trên bầu trời, phát ra tia laser xanh xuất hiện dưới dạng một điểm tại bất kỳ thời điểm nào.

Như bất kỳ dạng mật mã số nào, thuật toán mật mã lượng tử sử dụng một chuỗi các bit (là các số 0 và 1) được gọi là một khoá mật mã để mã hóa và giải mã thông tin. Nhưng trong phiên bản lượng tử, các bit được biểu diễn dưới dạng các trạng thái lượng tử, ví dụ như các trạng thái phân cực của photon, gọi là các bit lượng tử (quantum bit hay ngắn gọn hơn là qubit). Khóa mật mã có thể tạo từ các cặp qubit. Mỗi cặp qubit được người gửi làm rối lượng tử với nhau, có nghĩa là các trạng thái của các qubit trong mỗi cặp là phụ thuộc lẫn nhau, bất kể khoảng cách giữa chúng.Với mỗi cặp qubit như vậy người gửi giữ một qubit và chuyển qubit kia cho người nhận. Các định luật của cơ học lượng tử không cho phép bất kỳ ai khác biết được chính xác trạng thái của qubit trong quá trình chuyển từ người gửi đến người nhận mà không bị phát hiện.

Phân phối khóa lượng tử là quá trình tạo và chia sẻ khóa mật mã theo cách lượng tử như trên, bảo đảm sự bí mật của thông điệp đã được mã hoá. Phân phối khóa lượng tử giữa hai vị trí cách xa nhau nhiều km ^{1, 2} đã được thực hiện trước đây với các tín hiệu truyền trực tiếp theo sợi quang, nhưng các tín hiệu ánh sáng được gửi đi bằng cách trung chuyển qua vệ tinh sẽ ít bị suy giảm hơn trên đường đi. Gần đây, Jian-Wei Pan thuộc trường Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc ở Hợp Phì (Hefei) và các cộng sự đã thực hiện việc phân phối khóa lượng tử bằng cách sử dụng các chùm tia laser giữa đài quan sát Xinglong ở Trung Quốc và vệ tinh quỹ đạo thấp Micius ³. Đây là vệ tinh đầu tiên có khả năng xử lý thông tin lượng tử và được Trung Quốc phóng lên không trung vào năm 2016. Nhóm của Pan, phối hợp với Anton Zeilinger và những người khác ở Đại học Vienna, đã thực hiện phân phối khóa lượng tử giữa Xinglong của Trung Quốc và Graz của Áo, thông qua vệ tinh Micius, với khoảng cách là 7600 km.

Vệ tinh Micius có thể tạo các khóa lượng tử và cũng có thể phát và đọc các tín hiệu mã hoá lượng tử.Cụ thể, nó có thể thiết lập các khóa lượng tử riêng biệt, chỉ sử dụng duy nhất một lần, giữa nó và trạm ở Xinglong (gọi là khóa mật mã MX) cũng như giữa nó và trạm ở Graz (gọi là khóa mật mã MG), bằng các xung laser khi nó đi qua từng trạm. Như vậy, người gửi tại Graz chẳng hạn sẽ sử dụng khóa mật mã MG để mã hóa dữ liệu rồi gửi đến Micius, sau đó Micius giải mã dữ liệu rồi lại mã hóa dữ liệu bằng khóa mật mã MX và gửi đến người nhận ở Xinglong, nơi dữ liệu sẽ được khôi phục bởi khóa mật mã MX. Như vậy thông qua vệ tinh Micius các số liệu có thể chuyển giao một cách bảo mật giữa Graz và Xinglong.

Hình 2: Sơ đồ thiết lập khóa mật mã chung giữa Xinglong và Graz thông qua trạm trung chuyển là vệ tinh Micius.

Trên thực tế, như đã được công bố trong bài báo mới đây trên Physical Review Letters 120, 030501 (2018)], vệ tinh Micius được xem như một trạm trung chuyển tin cậy để thiết lập các khoá mật mã giữa các trạm trên mặt đất. Hình 2 minh họa sự chia sẻ khóa lượng tử giữa các trạm ở Xinglong và Graz. Ký hiệu các khóa mật mã có cùng độ dài mà vệ tinh Micius thiết lập giữa Micius và Xinglong là MX và giữa Micius và Graz là MG. Vệ tinh Micius có thể thực hiện phép tính XOR (⊕) giữa từng cặp bit của MX và MG để tạo ra một khóa mới là MX⊕MG. Khóa MX⊕MG này có thể được gửi qua một kênh truyền thông cổ điển đến Xinglong (hoặc Graz). Người ở Xinglong (hoặc Graz) có thể biết được khóa gốc của người ở Graz (hoặc Xinglong) bằng cách tínhXOR giữa MX⊕MG và MX (hoặc MG) vì MX⊕MG⊕MX = MG (hoặc MX⊕MG⊕MG = MX). Quá trình này có thể hiểu là vệ tinh Micius sử dụng MX (MG) để mã hóaMG (MX) còn Xinglong (Graz) dùng MX (MG) của mình giải mã MX⊕MG và phục hồi MG (MX). Như vậy, không một ai khác, ngoài ba đối tác Xinglong, Graz và vệ tinh, có thể biết được khóa mật mã. Vì vệ tinh Micius được xem là một trạm trung chuyển tin cậy nên Xinglong và Graz có thể chuyển số liệu cho nhau một cách an toàn tuyệt đối, không lo bị rò rỉ thông tin cho bất kỳ một ai khác .

Để minh chứng cho mối liên kết mật mã nói trên, các nhà nghiên cứu đã gửi hai bức ảnh giữa Trung Quốc và Áo thông qua vệ tinh, đồng thời sử dụng thêm các mạng cáp quang để nới rộng kết nối từ Graz đến Vienna và từ Xinglong đến Bắc Kinh. Họ đã gửi một bức ảnh của Micius (Mặc Tử, triết gia Trung Quốc mà tên của ông được đặt cho vệ tinh) từ Bắc Kinh tới Vienna và một bức ảnh của Erwin Schrödinger (nhà vật lý nổi tiếng đã làm việc ở Vienna) từ Vienna đến Bắc Kinh. Mỗi bức ảnh là một tệp chứa khoảng 5 kilobytes dữ liệu.

Một minh chứng tiếp theo cho mối liên kết mật mã thông qua vệ tinh là việc thực hiện một cuộc hội nghị truyền hình bảo mật giữa Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc ở Bắc Kinh và Viện Hàn lâm Khoa học Áo ở Vienna –một cuộc thảo luận dài 75 phút cần tới 2 gigabyte dữ liệu. Ông Pan nói: “Những gì đã được thực hiện là đủ cho các bước đầu tiên của mạng internet lượng tử, tương tự như tình trạng của điện thoại di động vào những năm 1970”. Ông tiên đoán, các ứng dụng thực sự đầu tiên của mạng này sẽ bao gồm các cuộc điện đàm, fax và thư điện tử, tất cả đều được mã hóa lượng tử, để chuyển các thông tin tài chính hoặc ngoại giao nhạy cảm.

Ronald Hanson thuộc Đại học Kỹ thuật Delft, Hà Lan, người đang nghiên cứu về viễn thông lượng tử đường dài cho internet lượng tử, nói: “Đây là minh chứng đầu tiên cho việc phân phối khóa lượng tử liên lục địa dưới bất kỳ hình thức nào và nó sẽ là cột mốc cho các mạng lượng tử trong tương lai”.

Vệ tinh Micius là một thành phần quan trọng của một dự án quốc tế lớn hơn do Trung Quốc dẫn đầu gọi là “Các thí nghiệm lượng tử ở quy mô không gian”, bao gồm các kế hoạch phóng vệ tinh có quỹ đạo cao hơn và xây dựng một tổ hợp các vệ tinh như vậy. Ba vệ tinh quỹ đạo thấp có thể phân phối các khóa lượng tử an toàn với tốc độ vài gigabit mỗi năm, Pan nói. Còn Chao-Yang Lu, một đồng tác giả với Pan, cho biết nếu đòi hỏi mức độ an toàn cao nhất, thì lượng dữ liệu cho khóa lượng tử này có thể bảo vệ một lượng dữ liệu tương đương trong các văn bản tối mật, nhưng nếu chỉ đòi hỏi mức độ an toàn thấp hơn một chút, thì lượng dữ liệu có thể lớn hơn nhiều.

Tài liệu tham khảo:

https://physics.aps.org/articles/v11/7 (19/01/2018); https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.030501

Chú thích:

1. C. Peng, J. Zhang, D. Yang, W. Gao, H. Ma, H. Yin, H. Zeng, T. Yang, X. Wang, and J. Pan, “Experimental Long-Distance Decoy-State Quantum Key Distribution Based on Polarization Encoding,” Phys. Rev. Lett. 98, 010505 (2007).

2. T. Schmitt-Manderbach et al., “Experimental Demonstration of Free-Space Decoy-State Quantum Key Distribution over 144 km,” Phys. Rev. Lett. 98, 010504 (2007).

3. S. K. Liao et al., “Satellite-to-Ground Quantum Key Distribution,” Nature 549, 43 (2017)