Hai nhóm nghiên cứu độc lập đã chứng minh một giao thức phân phối các khóa được mã hóa lượng tử thông qua một phương pháp chắc chắn sẽ khiến những kẻ tấn công mạng có khả năng phải chìm trong bóng tối. Giao thức, được đặt tên là phân phối khóa lượng tử độc lập với thiết bị, lần đầu tiên được đề xuất cách đây ba thập kỷ nhưng trước đó chưa được thực hiện bằng thực nghiệm do các hạn chế kỹ thuật mà các nhà nghiên cứu hiện đã khắc phục được.
Hầu hết mọi người sử dụng mã hóa thường xuyên để đảm bảo rằng thông tin họ chuyển qua Internet (chẳng hạn như chi tiết thẻ tín dụng) không rơi vào tay kẻ xấu. Cơ sở toán học của mã hóa ngày nay đủ mạnh để không thể bẻ khóa “chìa khóa” được mã hóa, ngay cả với những siêu máy tính nhanh nhất. Tuy nhiên, mã hóa cổ điển này có thể gặp rủi ro từ các máy tính lượng tử trong tương lai.
Một giải pháp cho vấn đề này là phân phối khóa lượng tử (QKD), sử dụng các thuộc tính lượng tử của photon, thay vì các thuật toán toán học, làm cơ sở cho mã hóa. Ví dụ: nếu người gửi sử dụng các photon vướng víu để truyền khóa đến người nhận, bất kỳ tin tặc nào cố gắng theo dõi quá trình liên lạc này sẽ dễ dàng bị phát hiện vì sự can thiệp của họ sẽ làm xáo trộn sự vướng víu. Do đó, QKD cho phép hai bên tạo các khóa bí mật, an toàn mà họ có thể sử dụng để chia sẻ thông tin.
Thiết bị dễ bị tổn thương
Nhưng có một nhược điểm. Ngay cả khi thông tin được gửi theo cách an toàn, ai đó vẫn có thể biết được khóa bằng cách hack thiết bị của người gửi và/hoặc người nhận. Bởi vì QKD thường giả định rằng các thiết bị duy trì hiệu chuẩn hoàn hảo, bất kỳ sai lệch nào cũng có thể khó phát hiện, khiến chúng dễ bị xâm phạm.
Một giải pháp thay thế là QKD độc lập với thiết bị (DIQKD), đúng như tên gọi của nó, hoạt động độc lập với trạng thái của thiết bị. DIQKD hoạt động như sau. Hai người dùng, theo truyền thống được đặt tên là Alice và Bob, mỗi người sở hữu một hạt của một cặp vướng víu. Họ đo các hạt một cách độc lập bằng cách sử dụng một tập hợp các điều kiện thí nghiệm nghiêm ngặt. Các phép đo này được chia thành các phép đo được sử dụng để tạo khóa mã hóa và các phép đo được sử dụng để xác nhận sự vướng víu. Nếu các hạt bị vướng víu, các giá trị đo được sẽ vi phạm các điều kiện được gọi là bất đẳng thức Bell. Việc thiết lập vi phạm này đảm bảo rằng quy trình tạo khóa không bị giả mạo.
Độ vướng víu độ trung thực cao, tỷ lệ lỗi bit thấp
Trong nghiên cứu mới, được mô tả trong Thiên nhiên, một nhóm quốc tế từ Đại học Oxford (Anh), CEA (Pháp) và EPFL, Đại học Geneva và ETH (tất cả đều ở Thụy Sĩ) đã thực hiện các phép đo của họ trên một cặp ion stronti-88 bị bẫy cách nhau hai mét. Khi các ion này bị kích thích lên trạng thái điện tử cao hơn, chúng sẽ phân rã một cách tự nhiên, phát ra mỗi hạt một photon. Sau đó, phép đo trạng thái Bell (BSM) được thực hiện trên cả hai photon để làm vướng víu các ion. Để đảm bảo tất cả thông tin được lưu giữ trong quá trình thiết lập, các ion sau đó được dẫn đến một vị trí khác nơi chúng được sử dụng để thực hiện giao thức đo lường DIQKD. Sau đó, trình tự được lặp lại.
Trong khoảng thời gian gần 1.5 giờ, nhóm đã tạo ra 95 triệu cặp Bell vướng víu và sử dụng chúng để tạo khóa dùng chung dài 884 96 bit. Điều này có thể thực hiện được vì độ chính xác của sự vướng víu cao, ở mức 1.44%, trong khi tỷ lệ lỗi bit lượng tử thấp, ở mức 2.64%. Trong khi đó, các phép đo bất bình đẳng Bell tạo ra giá trị 2, cao hơn nhiều so với giới hạn cổ điển là XNUMX, nghĩa là sự vướng víu không bị cản trở.
Trong một thí nghiệm riêng biệt, cũng được mô tả trong Thiên nhiên, các nhà nghiên cứu tại Đại học Ludwig-Maximilian của Đức (LMU) và Đại học Quốc gia Singapore (NUS) đã sử dụng một cặp nguyên tử rubidi-87 bị bẫy quang học đặt trong các phòng thí nghiệm cách nhau 400 mét và được kết nối bằng một sợi quang dài 700 mét. Tương tự như giao thức của đội kia, các nguyên tử bị kích thích và các photon mà chúng phát ra khi chúng phân rã trở lại trạng thái cơ bản được sử dụng để thực hiện một BSM liên kết hai nguyên tử. Các trạng thái của nguyên tử sau đó được đo bằng cách ion hóa chúng thành một trạng thái cụ thể. Do các nguyên tử bị ion hóa bị mất khỏi bẫy, phép đo huỳnh quang để kiểm tra sự hiện diện của nguyên tử sẽ hoàn thành giao thức.
Nhóm LMU-NUS đã lặp lại trình tự này 3 lần trong khoảng thời gian đo là 342 giờ, duy trì độ chính xác vướng víu là 75% và tỷ lệ lỗi bit lượng tử là 89.2% trong suốt quá trình. Phép đo bất đẳng thức Bell mang lại kết quả là 7.8, một lần nữa chứng minh sự vướng víu vẫn còn nguyên vẹn trong khoảng thời gian đo.
Bây giờ làm cho nó thực tế
Để DIQKD trở thành một phương pháp mã hóa thực tế, cả hai nhóm đều đồng ý rằng tốc độ tạo khóa sẽ cần phải tăng lên. Vì vậy, khoảng cách giữa Alice và Bob cũng vậy. Một cách để tối ưu hóa hệ thống có thể là sử dụng các hốc để cải thiện tốc độ thu thập photon. Một bước nữa là song song hóa quá trình tạo vướng víu bằng cách sử dụng các dãy nguyên tử/ion đơn lẻ, thay vì các cặp. Ngoài ra, cả hai đội đều tạo ra các photon ở bước sóng có tổn hao cao bên trong sợi quang: 422 nm đối với strontium và 780 nm đối với rubidi. Điều này có thể được giải quyết thông qua chuyển đổi tần số lượng tử, chuyển đổi các photon sang vùng cận hồng ngoại nơi các sợi quang được sử dụng cho viễn thông có mức suy hao thấp hơn nhiều.
Tim van Leent, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại LMU và là đồng tác giả chính của bài báo LMU-NUS, lưu ý rằng các khóa mà nhóm Oxford-CEA-Thụy Sĩ tạo ra được bảo mật theo cái gọi là giả định bảo mật khóa hữu hạn, mà ông gọi là “một thành tựu tuyệt vời ”. Ông nói thêm rằng công việc của nhóm khác trong việc triển khai tất cả các bước cần thiết trong giao thức QKD đã đặt ra một tiền lệ quan trọng, chỉ ra rằng chất lượng vướng víu được báo cáo trong thí nghiệm này là cao nhất cho đến nay giữa các ký ức lượng tử dựa trên vật chất ở xa.
Hệ thống mật mã lượng tử bị hack
Nicolas Sanguard, một nhà vật lý tại CEA, một trong những nhà điều tra chính của dự án, nói rằng các nhà nghiên cứu LMU-NUS đã thành công trong việc chỉ ra rằng các trạng thái vướng víu có thể được phân phối trên hàng trăm mét với chất lượng, về nguyên tắc, đủ cao để thực hiện thiết bị -phân phối khóa lượng tử độc lập. Ông nói thêm rằng những khó khăn mà họ phải vượt qua là một minh họa tốt về những thách thức mà QKD độc lập với thiết bị vẫn đặt ra cho các nền tảng mạng lượng tử. Ông cho biết thêm, việc trích xuất khóa từ dữ liệu thô vẫn đặc biệt khó khăn vì số lần lặp lại thử nghiệm không đủ để trích xuất khóa từ kết quả đo.
