Truyền thông lượng tử là gì?

Các nhà nghiên cứu và các công ty đang tạo ra các mạng truyền thông siêu an toàn có thể hình thành nền tảng của một mạng internet lượng tử. Hãy cùng Trí tuệ nhân tạo tìm hiểu cách nó hoạt động.

Ngày nay, dữ liệu nhạy cảm thường được mã hóa, sau đó gửi đi thông qua cáp quang và các kênh khác cùng với “chìa khóa” kỹ thuật số cần thiết để giải mã thông tin. Dữ liệu và các khóa được gửi dưới dạng các bit cổ điển — một dòng xung điện hoặc xung quang biểu thị 1s0s. Và điều đó khiến họ dễ bị công kích. Các tin tặc tinh ranh có thể đọc và sao chép các bit trong quá trình chuyển tiếp mà không để lại bất kì dấu vết nào.

Truyền thông lượng tử tận dụng các quy luật vật lý lượng tử để bảo vệ dữ liệu. Các quy luật này cho phép các hạt — thường là các photon ánh sáng truyền dữ liệu dọc theo cáp quang — tạo nên trạng thái chồng chập, chúng có thể đại diện cho nhiều tổ hợp 10 đồng thời. Các hạt đó được gọi là bit lượng tử, hoặc qubits.

Điểm tuyệt vời của các qubit khi nhìn từ góc độ an ninh mạng là nếu một hacker cố gắng do thám chúng trong quá trình vận chuyển, trạng thái lượng tử siêu mảnh của chúng sẽ “sụp đổ” xuống 1 hoặc 0. Hacker không thể giả mạo các qubit mà không bỏ lại dấu hiệu nào.

Một số công ty đã tận dụng tính năng này để tạo ra các mạng truyền dữ liệu có độ nhạy cao dựa trên một quy trình được gọi là phân phối khóa lượng tử, hoặc QKD. Về lý thuyết, các mạng này cực kỳ an toàn.

Phân phối khóa lượng tử

Phân phối khóa lượng tử là gì?

QKD liên quan đến việc gửi dữ liệu được mã hóa dưới dạng các bit cổ điển qua mạng, trong khi các khóa để giải mã thông tin được mã hóa và truyền ở trạng thái lượng tử bằng cách sử dụng qubit.

Có nhiều cách tiếp cận và giao thức khác nhau đã được phát triển để triển khai QKD. Trong đó, giao thức được sử dụng rộng rãi – BB84 hoạt động như sau. Hãy tưởng tượng hai người, Alice và Bob. Alice muốn gửi dữ liệu một cách an toàn cho Bob. Để làm như vậy, cô ấy tạo ra một khóa mã hóa ở dạng qubit mà trạng thái phân cực của nó đại diện cho các giá trị bit riêng lẻ của khóa.

Các qubit có thể được gửi đến Bob thông qua cáp quang. Bằng cách so sánh các phép đo trạng thái của một phần nhỏ trong số các qubit này — một quá trình được gọi là “sàng lọc khóa” —Alice và Bob có thể xác định rằng họ đang giữ cùng một khóa.

Khi các qubit di chuyển đến đích, trạng thái lượng tử siêu mảnh của một số trong chúng sẽ sụp đổ vì sự tách rời (decoherence). Tiếp theo, Alice và Bob sẽ chạy qua một quá trình được gọi là “chưng cất khóa”, bao gồm việc tính toán xem tỷ lệ lỗi có đủ cao để gợi ý rằng một tin tặc đã cố gắng đánh cắp khóa của họ hay không.

Nếu có, họ loại bỏ khóa nghi ngờ và tiếp tục tạo khóa mới cho đến khi họ tự tin rằng mình đã chia sẻ khóa an toàn. Alice sau đó có thể sử dụng khóa của cô ấy để mã hóa dữ liệu và gửi nó ở dạng bit cổ điển cho Bob – sử dụng khóa của anh ấy để giải mã thông tin.

Bắt đầu có nhiều mạng QKD xuất hiện hơn. Dài nhất là ở Trung Quốc, đường liên kết mặt đất dài 2.032 km (1.263 dặm) giữa Bắc Kinh và Thượng Hải. Các ngân hàng và các công ty tài chính khác cũng đã và đang sử dụng nó để truyền dữ liệu. Tại Mỹ, một dự án khởi nghiệp được gọi là Quantum Xchange đã đạt được thỏa thuận cung cấp cho họ quyền truy cập vào 500 dặm (805 km) cáp quang chạy dọc Bờ biển phía Đông để tạo ra một mạng QKD. Chặng đầu tiên sẽ liên kết Manhattan với New Jersey, nơi có nhiều ngân hàng có trung tâm dữ liệu lớn.

Mặc dù QKD đã tương đối an toàn, nhưng sẽ an toàn hơn nữa nếu nó có thể dựa vào các bộ lặp lượng tử.

Bộ lặp lượng tử

Bộ lặp lượng tử là gì?

Vật liệu trong dây cáp có thể hấp thụ các photon, điều đó có nghĩa là chúng thường không thể di chuyển quá vài chục km. Trong mạng cổ điển, các bộ lặp tại nhiều điểm khác nhau dọc theo cáp được sử dụng để khuếch đại tín hiệu nhằm bù đắp cho điều này.

Các mạng QKD đã đưa ra một giải pháp tương tự, tạo ra các “nút đáng tin cậy” ở nhiều điểm khác nhau. Ví dụ, mạng từ Bắc Kinh đến Thượng Hải có 32 nút. Tại các trạm này, các khóa lượng tử được giải mã thành các bit và sau đó được mã hóa lại ở trạng thái lượng tử mới cho hành trình của chúng đến nút tiếp theo. Nhưng điều này lại khiến các nút này trở nên không thực sự đáng tin cậy: một tin tặc đã vượt qua bảo mật của các nút có thể sao chép các bit mà không bị phát hiện và do đó có được khóa, nó giống như một công ty hoặc chính phủ đang điều hành các nút đó.

Lý tưởng nhất, chúng ta cần các bộ lặp lượng tử hoặc các trạm với bộ xử lý lượng tử cho phép các khóa mã hóa vẫn ở dạng lượng tử khi chúng được khuếch đại và gửi đi trong một khoảng cách dài. Các nhà nghiên cứu đã chứng minh về nguyên tắc có thể xây dựng các bộ lặp như vậy, nhưng họ vẫn chưa thể tạo ra một nguyên mẫu hoạt động.

Có một vấn đề khác nữa với QKD. Dữ liệu cơ bản vẫn được truyền dưới dạng các bit mã hóa qua các mạng thông thường. Điều này có nghĩa là một tin tặc đã xâm phạm hệ thống phòng thủ của mạng có thể sao chép các bit mà không bị phát hiện, sau đó sử dụng các máy tính mạnh hơn, bẻ khóa khóa được sử dụng để mã hóa chúng.

Các thuật toán mã hóa mạnh mẽ nhất đã khá an toàn, nhưng rủi ro vẫn là đủ lớn để thúc đẩy một số nhà nghiên cứu làm việc trên một phương pháp thay thế – được gọi là viễn tải lượng tử.

Viễn tải lượng tử

Viễn tải lượng tử là gì?

Điều này nghe có vẻ giống như khoa học viễn tưởng, nhưng đó là một phương pháp thực sự liên quan đến việc truyền dữ liệu hoàn toàn ở dạng lượng tử. Phương pháp này dựa trên một hiện tượng lượng tử được gọi là rối lượng tử (entanglement).

Viễn tải lượng tử hoạt động bằng cách tạo ra các cặp photon rối sau đó gửi một trong mỗi cặp tới người gửi dữ liệu và cặp kia đến người nhận. Khi Alice nhận được photon rối của mình, cô ấy để nó tương tác với một “qubit bộ nhớ” chứa dữ liệu mà cô ấy muốn truyền cho Bob. Tương tác này làm thay đổi trạng thái photon của cô ấy và điều này cũng sẽ xảy ra tương tự với photon của Bob. Trên thực tế, điều này “dịch chuyển” dữ liệu trong qubit bộ nhớ của Alice từ photon của cô ấy đến Bob.

Các nhà nghiên cứu ở Mỹ, Trung Quốc và châu Âu đang chạy đua để tạo ra các mạng viễn tải có khả năng phân phối các photon rối. Nhưng việc đưa chúng lên quy mô sẽ là một thách thức lớn về khoa học và kỹ thuật. Các rào cản là rất nhiều, như việc tìm ra cách đáng tin cậy để tạo ra nhiều photon được liên kết theo yêu cầu và duy trì chúng trong những khoảng cách rất xa – điều mà các bộ lặp lượng tử có thể làm một cách dễ dàng hơn.

Tuy nhiên, những thách thức này vẫn không thể ngăn cản các nhà nghiên cứu mong đợi  một mạng internet lượng tử trong tương lai.

Internet lượng tử.

Internet lượng tử là gì?

Cũng giống như Internet truyền thống, đây sẽ là một mạng lưới trải khắp trên toàn cầu. Sự khác biệt lớn là các mạng truyền thông cơ bản sẽ là các mạng lượng tử.

Nó sẽ không thay thế Internet của chúng ta. Hình ảnh động vật, video ca nhạc và rất nhiều thông tin kinh doanh thông thường sẽ vẫn di chuyển dưới dạng các bit cổ điển. Nhưng internet lượng tử sẽ có giá trị trong việc thu hút các tổ chức cần bảo mật dữ liệu đặc biệt. Nó cũng có thể là một cách lý tưởng để kết nối thông tin giữa các máy tính lượng tử, vốn đang ngày càng được cung cấp thông qua đám mây điện toán.

Trung Quốc là quốc gia tiên phong trong việc thúc đẩy truyền thông lượng tử. Họ đã phóng một vệ tinh liên lạc lượng tử chuyên dụng có tên là Micius vài năm trước. Năm 2017, vệ tinh này đã giúp tổ chức hội nghị truyền hình liên lục địa, được bảo mật QKD đầu tiên trên thế giới giữa Bắc Kinh và Vienna. Một trạm mặt đất đã liên kết vệ tinh với mạng mặt đất từ Bắc Kinh đến Thượng Hải. Trung Quốc đang có kế hoạch phóng nhiều vệ tinh lượng tử hơn và một số thành phố trong nước đang lên kế hoạch cho các mạng QKD thành phố.

Một số nhà nghiên cứu cảnh báo rằng, ngay cả một internet lượng tử tốt nhất cũng có thể bị tấn công bởi các cuộc tấn công mới dựa trên lượng tử. Nhưng đối mặt với những cuộc tấn công dữ dội đang hoành hành trên internet ngày nay, các doanh nghiệp, chính phủ và quân đội sẽ tiếp tục khám phá viễn cảnh đầy trêu ngươi về một giải pháp để thay thế lượng tử an toàn hơn.

Nếu bạn thích bài viết này, hãy chia sẻ với những người quan tâm và hãy thường xuyên truy cập website và các mạng xã hội của Trí tuệ nhân tạo để nắm được những xu hướng mới nhất về lĩnh vực.

Bạn muốn trích dẫn bài này:
-----
"Truyền thông lượng tử là gì?," Trí tuệ nhân tạo, Ngày xuất bản: 03/08/2021, URL: https://trituenhantao.io/kien-thuc/truyen-thong-luong-tu-la-gi/, Ngày truy cập: 27/11/2021.



Về trituenhantao.io

Trituenhantao.io là trang web chia sẻ thông tin, kiến thức, kinh nghiệm học tập và triển khai các chương trình và dự án sử dụng trí tuệ nhân tạo trên thế giới.
Xem tất cả các bài viết của trituenhantao.io →