Giới thiệu về mật mã lượng tử

Mật mã lượng tử là công nghệ cho phép bảo mật thông tin truyền đi bằng truyền thông quang, qua quang sợi cũng như qua không gian (FSO - Free Space Optical communications). Nó cho phép thông tin được bảo mật "tuyệt đối", không phụ thuộc vào độ mạnh của máy tính, độ tối tân của dụng cụ hay sự xảo quyệt của hacker. Sự bảo mật của mật mã lượng tử bắt nguồn từ những quy luật không thể phá bỏ của tự nhiên, do đó nó được xem như là một sự bảo vệ mạnh mẽ nhất có thể cho dữ liệu.

Lịch sử của mật mã lượng tử

Nguồn gốc của mật mã lượng tử được đưa ra bởi Stephen Weisner, gọi là "Conjugate Coding" từ đầu những năm 70. Sau đó, được công bố vào năm 1983 trên tạp chí Sigact News bởi Bennett và Brassard, những người đã nghiên cứu những ý tưởng của Weisner và phát triển chúng theo cách riêng của mình. Họ cho ra "BB84", thể thức mật mã lượng tử đầu tiên vào năm 1984, nhưng mãi đến tận năm 1991, thí nghiệm đầu tiên về thể thức này mới được thực hiện thành công qua một đường truyền 32 cm. Những hệ thống ngày nay đã được thử nghiệm thành công trên quang sợi ở độ dài hàng trăm km.
Mật mã và ứng dụng của mật mã

Mật mã được biết đến như là một cách để giữ thông tin bí mật. Sự bảo mật của một mạng truyền thông là rất quan trọng trong nhiều lĩnh vực như ngân hàng, bảo hiểm, thuế...

Hình dưới đây mô tả một thể thức của mật mã, thông tin nhạy cảm có thể được làm rối loạn bởi người gửi (Alice) thành một dạng thông tin mà người ngoài không thể nhận biết. Điều này được thực hiện bởi một công thức toán học, gọi là thuật toán mã hóa. Người nhận được mong đợi (Bob) sẽ có thuật toán giải mã để tìm lại dữ liệu ban đầu. Để người nhận có thể biết được thuật toán giải mã, thuật toán này được liên kết với một chìa khóa bí mật. Vì chiếc chìa khóa này cho phép giải mã thông tin, điều hết sức quan trọng là nó phải được giữ bí mật và thay đổi thường xuyên.

Tất nhiên, để gửi thông tin một cách bí mật, chìa khóa giải mã phải được truyền đi một cách bí mật. Nhưng khi người nhận được mong đợi nhận được một chiếc chìa khóa thì làm thế nào xác minh được chìa khóa này là thật và nó được giữ bí mật? Trước đây, điều này là không thể. Mật mã lượng tử giải quyết vấn đề này! Nó cho phép người gửi và người nhận xác minh tính bảo mật của từng chìa khóa.
Mã hóa lượng tử

Ứng dụng trực tiếp nhất của mật mã lượng tử là quá trình truyền chìa khóa bí mật. Tại sao không dùng đường truyền lượng tử này để truyền trực tiếp thông tin cần truyền đi? Bởi vì lượng thông tin trong một đường truyền lượng tử không nhiều và tốc độ không cao. Nhờ vào quá trình mã hóa mà sự truyền thông tin này có thể đưa đến sự bảo mật cao cho đường truyền khác có tốc độ trao đổi thông tin cao hơn rất nhiều.

Nguyên lí của sự trao đổi thông tin lượng tử này dựa vào sự quan sát các trạng thái lượng tử; những photon được truyền đi được đặt trong một trạng thái riêng biệt bởi người gửi và sau đó được quan sát bởi người nhận. Bởi theo thuyết tương đối, những trạng thái lượng tử liên hợp không thể được quan sát cùng một lúc. Tùy theo cách quan sát, giá trị của hệ đo được sẽ khác nhau, nhưng trong một hệ các trạng thái liên hợp duy nhất; ví dụ như phân cực của photon được mô tả bởi một trong ba hệ khác nhau: phân cực phẳng, phân cực cầu hay phân cực elip. Như vậy, nếu người gửi và người nhận không thỏa thuận trước về hệ quan sát được sử dụng, người nhận có thể tình cờ hủy thông tin của người nhận mà không nhận được gì có ích.

Như vậy, sự tiếp cận đơn giản nhất về đường truyền lượng tử là: người gửi mã hóa thông tin bởi các trạng thái lượng tử, người nhận quan sát các trạng thái đó, sau đó nhờ vào thỏa thuận từ trước về hệ quan sát, người gửi và người nhận trao đổi thông tin một cách đúng đắn. Sự trao đổi thông tin của họ có thể bị lỗi, do nhiễu hay do người nghe lén thứ ba (sẽ được mô tả trong phần sau), nhưng những lỗi này sẽ được nhận biết và giải quyết dễ dàng.
Sự an toàn đối với việc ăn cắp thông tin

Nếu ta xét trường hợp một kênh truyền bảo mật thông thường và có "người tấn công ở giữa" (man-in-the-middle attack). Trong trường hợp này, người nghe lén (Eve) được cho là có khả năng điểu khiển kênh truyền, có thể đưa thông tin vào và lấy thông tin ra không có thiếu sót nào hay độ trễ nào. Khi Alice cố gắng thiết lập chìa khóa bí mật cùng Bob, Eve tham gia vào và trả lời tin theo cả hai hướng, làm cho Alice và Bob tưởng rằng họ đang nói chuyện với nhau. Khi chìa khóa bí mật được thiết lập, Eve nhận, sao chép và gửi lại thông tin để đảm bảo Alice và Bob nói chuyện với nhau bình thường. Giả sử rằng thời gian xử lí tín hiệu là đủ nhanh, Eve có thể nhận được toàn bộ chìa khóa bí mật và do đó nhận được tất cả thông tin được truyền đi giữa Alice và Bob với không một phát hiện nào.

Nhưng khi mật mã lượng tử được áp dụng (hình dưới), trong các quy luật lượng tử trạng thái lượng tử của photon không thể được sao chép. Như vậy, một cách tự nhiên, khi Eve cố gắng lấy thông tin mã hóa bởi một photon, sự nghe lén này sẽ gây lỗi ở phía Bob. Điều này sẽ cho phép Alice và Bob nhận biết được khi nào đường truyền của họ bị tác động bởi người nghe lén thứ ba, khi đó họ có thể chuyển qua kênh truyền khác, hay đơn giản hơn là làm trễ đường truyền lại với các chìa khóa được thay đổi liên tục.

Nguồn Thongtincôngnghệ

tinhtam

GÀ

16 năm

Hệ quan sát cũng random
Giả sử như ở đây ta dùng sự phân cực của ánh sáng (polarisation) để mã hóa. Để phát đi một chuỗi các bit, Alice chọn một cách bất kì một trong hai cơ sở phân cực phẳng để truyền photon: ngang-dọc (0° - 90°) và theo đường chéo (45° và 135°).

Vậy đến đây, nếu Alive và Bob thống nhất chỉ chọn một cơ sở chẳng hạn ngang-dọc thì hai trạng thái 0° - 90° này mô tả hai trạng thái bit 0 và 1. Nhưng cơ sở phân cực được chọn một cách ngẫu nhiên. Với mỗi bit, Alice ghi lại giá trị bit và cơ sở phân cực truyền đi.
Ở đầu thu, Bob cũng chọn hệ quan sát một cách ngẫu nhiên. Nếu một cách trùng hợp, cả người phát và thu dùng cùng một cơ sở thì đầu thu sẽ quan sát được giá trị bit là 0 hoặc 1, còn nếu không thì kết quả sẽ là vô định, không có giá trị.
Bob ghi lại giá trị các bit đo được và cơ sở được dùng để quan sát. Sau đó Alice và Bob trao đổi với nhau về cơ sở được dùng cho mỗi bit, bằng đường truyền thông thường, không cần bảo mật tối ưu. Từ đó, Alice và Bob biết rằng, những bit nào đã được phát và thu ở cùng một cơ sở và có giá trị. Như vậy, trong 2N bit mà Alice truyền đi, Bob sẽ thu được số bit trung bình là N bit, và cả Alice và Bob đều chắc chắn được đó là những bit nào.

Nếu có nNếu có người quan sát thứ 3 ở giữa đường liên kết nhằm ăn cắp thông tin, người này cũng sẽ phải chọn một trong hai cơ sở để thu tín hiệu. Để tránh phát hiện, sau khi ghi lại giá trị bit, người này phải phát ra một photon để thay thế photon đã thu nhận. Nếu với một bit, Eve chọn đúng cơ sở để thu, Eve có thể ghi lại giá trị và phát lại giá trị đó. Trong trường hợp Eve chọn sai cơ sở, Eve thu được giá trị bất định và phải phát lại với cơ sở bất kì và giá trị bit bất kì.

Để kiểm tra xem đường truyền giữa Alice và Bob có an toàn không, hai người buộc phải so sánh một số bit nhận được với nhau bằng đường truyền thông thường, và các bit này là "vật hy sinh" không sử dụng lại nữa vì chúng được truyền đi một cách "không an toàn".
Bằng một phép tính đơn giản: Xác suất Eve chọn sai cơ sở là 50%, sau đó phát bit trở lại một cách bất kì và Bob thu được với sai số 50%. Vậy tỉ lệ bit lỗi ở phía Bob là 50% x 50% = 25%. Nếu Alice và Bob so sánh n bit với nhau, tỉ lệ họ thấy sai số là:

Vậy để biết có người nghe lén với độ chính xác Alice và Bob phải so sánh n=72 bit.

mattroingojs

14 năm

Tài liệu về mật mã lượng tử cho những ai thích nguyên cứu về nó.

Có gì sai sót mong các bạn chỉ giáo thêm.