Các nhà nghiên cứu ở Trung Quốc đã đạt được một cột mốc quan trọng trong việc phân phối khóa lượng tử từ không gian đến mặt đất (QKD) bằng cách trình diễn một thiết bị đầu cuối QKD chức năng với khối lượng chỉ bằng một nửa hệ thống trước đó. Sau khi gửi thiết bị đầu cuối mới vào không gian để quay quanh Trái đất trên phòng thí nghiệm không gian Tiangong-2, các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Hợp Phì và Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc (USTC) đã thực hiện một loạt 19 thí nghiệm từ ngày 23 tháng 2018 năm 13 đến ngày 2019 tháng 15 năm XNUMX, truyền thành công khóa lượng tử giữa vệ tinh và bốn trạm trên mặt đất trong XNUMX ngày riêng biệt.
Giống như các thiết bị đầu cuối QKD khác, thiết bị trong nghiên cứu này dựa vào hành vi lượng tử của ánh sáng để tạo ra các loại khóa mã hóa cần thiết nhằm bảo vệ dữ liệu. Jian-Wei Pan, nhà vật lý tại USTC và là đồng tác giả của bài báo về nghiên cứu giải thích: “QKD sử dụng đơn vị ánh sáng cơ bản – các photon đơn lẻ – để mã hóa thông tin giữa hai người dùng ở xa”. quang học. “Ví dụ, máy phát có thể mã hóa ngẫu nhiên thông tin về trạng thái phân cực của photon, chẳng hạn như ngang, dọc, tuyến tính +45° hoặc tuyến tính –45°. Tại máy thu, việc giải mã trạng thái phân cực tương tự có thể được thực hiện và có thể lấy được các khóa thô. Sau khi sửa lỗi và tăng cường quyền riêng tư, các khóa bảo mật cuối cùng có thể được trích xuất.”
Bảo mật vững chắc trong tương lai
Thiết bị đầu cuối QKD mới được thu gọn lại là tin vui cho người dùng có yêu cầu bảo mật cao. Mặc dù mật mã khóa công khai truyền thống hiện là một trong những phương tiện mã hóa tốt nhất, nhưng nó dựa trên thực tế là máy tính cổ điển đơn giản là không thể giải quyết một số vấn đề nhất định trong một khoảng thời gian hợp lý. Tuy nhiên, những hàm toán học khó hiểu này chỉ hoạt động nếu hacker sử dụng máy tính cổ điển. Như Pan đã chỉ ra, một máy tính lượng tử trong tương lai có thể chỉ cần sử dụng thuật toán Shor của để bẻ khóa ngay cả những phương pháp mã hóa tốt nhất hiện nay.
Nếu máy tính lượng tử có thể phá vỡ mã hóa cổ điển, thì một giải pháp khả thi là sử dụng mã hóa lượng tử thay thế, khi có thể. Pan cho biết: “QKD cung cấp giải pháp bảo mật thông tin cho vấn đề trao đổi khóa. “Định lý không nhân bản lượng tử chỉ ra rằng một trạng thái lượng tử chưa biết thì không thể nhân bản một cách đáng tin cậy. Nếu kẻ nghe trộm cố gắng nghe lén QKD, chắc chắn cô ta sẽ gây ra nhiễu loạn cho các tín hiệu lượng tử, sau đó người dùng QKD sẽ phát hiện ra.”
Paul Kwiat, nhà vật lý tại Đại học Illinois ở Urbana-Champaign, Mỹ, người không tham gia nghiên cứu, cho biết thêm rằng bất kỳ cuộc tấn công nào vào QKD đều phải được thực hiện vào thời điểm truyền tải. “Theo nghĩa này, QKD đôi khi được mô tả là 'bằng chứng trong tương lai' - không quan trọng sức mạnh tính toán mà một số đối thủ phát triển sau 10 năm nữa (điều này sẽ quan trọng đối với mật mã khóa công khai); tất cả những gì quan trọng là khả năng của kẻ nghe trộm khi khóa lượng tử được phân phối ban đầu,” Kwiat, người lãnh đạo bộ phận truyền thông lượng tử at Q-TIẾP THEO, một tập đoàn nghiên cứu tập trung vào các thách thức thông tin lượng tử.
Giới hạn ánh sáng ban ngày
Mặc dù công việc QKD trước đây đã được thực hiện với một thiết bị khác trên vệ tinh Micius, nhưng trong nghiên cứu mới nhất, các nhà nghiên cứu đã có thể giảm khối lượng của thiết bị đầu cuối bằng cách tích hợp tải trọng QKD với các hệ thống khác như thiết bị điện tử điều khiển, quang học và kính thiên văn. Đây là một bước tiến quan trọng nhưng các thành viên của nhóm Hợp Phì – USTC vẫn chưa hoàn thành. Một thách thức mà họ đề cập trong bài báo của mình là hiện tại họ không thể chạy thiết bị đầu cuối vào ban ngày. Điều này là do sự tán xạ của ánh sáng mặt trời tạo ra tiếng ồn nền lớn hơn năm đến sáu bậc độ lớn so với những gì nhìn thấy trong các thí nghiệm tiến hành vào ban đêm. Điều đó cho thấy, Pan và các đồng nghiệp của ông đang nghiên cứu các công nghệ như tối ưu hóa bước sóng, lọc quang phổ và lọc không gian để cho phép vận hành QKD vào ban ngày.
QKD độc lập với thiết bị mang Internet lượng tử không thể hack đến gần hơn
Pan nói rằng nhóm có những kế hoạch lớn, hy vọng đỉnh cao là tạo ra một mạng lượng tử tích hợp vệ tinh trên mặt đất có thể cung cấp dịch vụ cho người dùng trên toàn thế giới. Sau thành công của công việc này, nhóm nghiên cứu sẽ bắt đầu xây dựng một chòm vệ tinh lượng tử bao gồm một số vệ tinh có quỹ đạo thấp, một vệ tinh có quỹ đạo từ trung bình đến cao và mạng QKD sợi quang mặt đất. Pan cho biết: “Chúng tôi nghĩ rằng công việc của chúng tôi sẽ đóng góp vào một lĩnh vực nghiên cứu hấp dẫn về cách xây dựng chòm sao vệ tinh tối ưu”.
