Luận văn Phân tích hiệu năng hệ thống phân phối khóa lượng tử dựa trên vệ tinh sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
-------***-------
NGUYỄN THỊ THUỲ TRANG
PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG HỆ THỐNG PHÂN PHỐI
KHÓA LƯỢNG TỬ DỰA TRÊN VỆ TINH SỬ DỤNG
KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
( Theo định hướng ứng dụng)
Hà Nội - 2021
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
-------***-------
NGUYỄN THỊ THUỲ TRANG
PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG HỆ THỐNG PHÂN PHỐI
KHÓA LƯỢNG TỬ DỰA TRÊN VỆ TINH SỬ DỤNG
KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP
Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
Mã số: 8.52.02.08
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
( Theo định hướng ứng dụng)
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS.ĐẶNG THẾ NGỌC
Hà Nội - 2021
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Người viết luận văn
Nguyễn Thị Thuỳ Trang
LỜI CẢM ƠN
Luận văn này đã khép lại quá trình học tập, nghiên cứu của học viên tại Học
viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông. Học viên xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc tới
Thầy hướng dẫn, PGS.TS.Đặng Thế Ngọc đã định hướng nghiên cứu và tận tình
giúp đỡ, trực tiếp chỉ bảo trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Đồng thời học
viên cũng xin bày tỏ lòng biết ơn Lãnh đạo Học viện, các thầy cô của Khoa Đào tạo
sau đại học, Khoa Viễn thông 1 tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông.
Trân trọng!
Hà Nội, tháng 11 năm 2020
Học viên
Nguyễn Thị Thùy Trang
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................ii
MỤC LỤC................................................................................................................. iii
DANH MỤC HÌNH ẢNH ..........................................................................................v
DANH MỤC BẢNG BIỂU .......................................................................................vi
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ........................................................................................vii
LỜI MỞ ĐẦU.............................................................................................................1
1.1 Vai trò của phân phối khoá lượng tử.............................................................3
1.4.1 Thiết bị..................................................................................................19
1.4.2 Các giao thức QKD...............................................................................21
1.5 Kết luận chương 1 .......................................................................................23
2.1 Mở đầu.........................................................................................................24
2.2.1 Giới thiệu ..............................................................................................29
2.3 Suy hao đường truyền..................................................................................33
2.4 Nhiễu loạn khí quyển...................................................................................36
2.5 Kết luận chương 2 .......................................................................................43
3.1.2 Mô hình hệ thống..................................................................................48
3.3 Phân tích hiệu năng hệ thống.......................................................................54
3.5 Kết luận chương 3 .......................................................................................61
v
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Mô hình phân phối khoá .............................................................................3
hiệu gửi từ Sao Hỏa về Trái Đất. ..............................................................................27
tinh LEO và trạm mặt đất..........................................................................................30
kết nối vệ tinh LEO với trạm mặt đất .......................................................................31
nhau: yếu, trung bình và mạnh [16]. .........................................................................42
mạnh và bão hòa........................................................................................................43
tiếp tại HAP...............................................................................................................46
SIM/BPSK và bộ thu DT / DD .................................................................................47
của Eve từ HAP (r) trong kịch bản 1.........................................................................60
vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Các cơ sở thẳng và chéo. ..........................................................................10
nhau qua một kênh truyền thống đã được xác thực. .................................................11
Bảng 3.1: Các tham số của hệ thống.........................................................................58
vii
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Thuật ngữ
AES
Thuật ngữ Tiếng Anh
Thuật ngữ Tiếng Việt
Tiêu chuẩn mã hoá nâng cao
Điốt thu quang thác
Advanced Encryption Standard
Avalanche Photodiode
Amplified Spontaneous
Emission
APD
ASE
Bộ phát xạ khuếch đại
AWGN
BPSK
CV
Additive White Gaussian Noise
Binary Phase Shift Keying
Continuous Variable
Direct Detection
Nhiễu Gauss trắng cộng
Điều chế pha nhị phân
Biến liên tục
DD
Tách sóng trực tiếp
Mức độ tự do
DoF
DPS
DT
Degrees of Freedom
Differential-Phase-Shift
Double Threshold
Khóa dịch pha nhị phân
Hai ngưỡng
DV
Discrete Variable
Biến rời rạc
FPGA
Field Programmable Gate Arrays Vi mạch dùng cấu trúc mảng
phần tử logic có thể lập trình
FSL
FSO
GG
Free-space Loss
Suy hao không gian tự do
Truyền quang không gian tự do
Phân phối Gamma-Gamma
Hạ tầng trên cao
Free Space Optical
Gamma-Gamma
HAP
IM
High Altitude Platform
Intensity Modulation
Light Emitting Diode
Low Earth Orbit
Điều chế cường độ
LED
LEO
LOS
MG
Điot phát sáng
Quỹ đạo trái đất tầm thấp
Đường truyền thẳng
Light Of Sight
Mixture-Gamma
Phân phối hỗn hợp Gamma
Công suất tạp âm tương đương
Điều chế khóa đóng-mở
Bộ định hướng, bắt và bám
Tỷ lệ lỗi bit lượng tử
NEP
OOK
PAT
QBER
Noise Equivalent Power
On-Off Keying
Pointing Acquisition Tracking
Quantum Bit Error rate
viii
QICT
Quantum Communication and
Information Technologies
Quantum Key Distrubution
Quantum Not Destruction
Quantum Status Transmission
Radio Frequency
Thông tin lượng tử và công nghệ
truyền thông
QKD
QND
QST
RF
Phân phối khoá lượng tử
Không phá huỷ lượng tử
Trạng thái lượng tử
Tần số vô tuyến
RSA
SIM
Rivest–Shamir–Adleman
Mã hoá RSA
Subcarrier Intensity Modulation Điều chế cường độ sóng mang
phụ
SW
Switch
Chuyển mạch
TRNG
UAV
URA
True Random number generator Bộ tạo số ngẫu nhiên thực
Unmanned aerial vehicle
Phương tiện không người lái
Tấn công máy thu trái phép
Unauthorized receiver attack
1
LỜI MỞ ĐẦU
Việc bảo mật thông tin ngày càng được quan tâm, đặc biệt là những thông tin
được truyền qua cơ sở hạ tầng mạng Internet không được bảo mật. Phương pháp
bảo mật phổ biến nhất là sử dụng khóa mật mã dựa trên các thuật toán mật mã.
Trong phương pháp này, bên gửi hợp pháp (Alice) và bên nhận hợp pháp (Bob)
phải chia sẻ khóa bí mật qua kênh công khai không an toàn [1]. Tuy nhiên, vấn đề
nằm trong việc phân phối khóa nghĩa là làm sao hai bên gửi và nhận phải thông báo
một cách bảo mật cho nhau về khóa bí mật được sử dụng để mã hóa thông tin. Để
giải quyết được vấn đề này, rất nhiều giao thức phân phối khóa đã được đề xuất.
Một trong những giao thức phân phối khóa nhận được nhiều sự quan tâm hiện nay
là giao thức phân phối khóa lượng tử (QKD), trong đó hai bên gửi và nhận có thể
trao đổi khóa bí mật qua kênh lượng tử, thậm chí cả khi có mặt của bên nghe trộm
thứ ba (Eve) [2],[3].
Phân phối khóa lượng tử (QKD) là một phương thức truyền thông an toàn
thực hiện một giao thức mật mã liên quan đến các thành phần của cơ học lượng tử.
QKD cho phép người gửi và người nhận tạo ra một khóa bí mật ngẫu nhiên được
chia sẻ mà chỉ họ biết, sau đó có thể được sử dụng để mã hóa và giải mã các thông
điệp. Các giao thức phân phối khoá này dựa trên việc mã hoá thông tin lên các biến
rời rạc (DV) như pha hay sự phân cực của photon. Nhược điểm của các giao thức
này là tốc độ và hiệu quả của việc tách sóng từng photon tại phía thu bị hạn chế.
Khác với các hệ thống DV, trong luận văn, mô hình QKD mã hoá thông tin khoá
trên các biến liên tục như biên độ hay pha của xung ánh sáng cũng như cường độ
sóng mang quang được điều chế.
Để phân phối khóa bí mật sử dụng giao thức DV/CV-QKD giữa Alice và
Bob, các môi trường truyền dẫn khác nhau gồm mạng truyền thông sợi quang,
truyền thông quang qua không gian (FSO) dưới mặt đất [4],[5] và FSO dựa trên vệ
tinh đã được nghiên cứu một cách rộng rãi [6],[7]. Trong đó, phương pháp phân
phối khóa lượng tử dựa trên sợi quang đã được nghiên cứu và rất nhiều ứng dụng đã
2
được triển khai, nhưng đây chỉ là phương pháp sử dụng cho các đầu cuối cố định.
Tuy nhiên, có rất nhiều ứng dụng thực tế, bao gồm cả trong đời sống hàng ngày hay
trong quân đội, mà trong đó đầu cuối sử dụng là các thiết bị di động, ví dụ như các
mạng xe cộ, đòi hỏi các giải pháp QKD vô tuyến. Trong bối cảnh đó, FSO, một hệ
thống dễ thực thi và có chi phí hợp lý, có thể được sử dụng để truyền khóa lượng tử
tới các trạm di động [8]. Cũng như các hệ thống FSO khác, hệ thống QKD dựa trên
FSO chịu rất nhiều ảnh hưởng của môi trường khí quyển như hấp thụ, tán xạ,... làm
hạn chế khoảng cách truyền dẫn [9]. Nhận thấy tính thiết thực của đề tài, học viên
xin chọn hướng nghiên cứu “Phân tích hiệu năng hệ thống phân phối khóa lượng tử
dựa trên vệ tinh sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp” làm đề tài cho luận văn tốt nghiệp
thạc sỹ của mình. Mục tiêu chính mà luận văn hướng tới là phân tích hiệu năng qua
các tham số hiệu năng của mô hình QKD/FSO dựa trên vệ tinh khi sử dụng kỹ thuật
chuyển tiếp tại hạ tầng trên cao (HAP). Tham số hiệu năng mà luận văn hướng tới
là tốc độ khoá bí mật. Bố cục luận văn gồm 3 chương chính:
Chương 1: Tổng quan về phân phối khoá lượng tử
Chương 2: Mô hình kênh quang không gian tự do
Chương 3: Phân tích hiệu năng hệ thống QKD dựa trên vệ tinh sử dụng
kỹ thuật chuyển tiếp
Trong phần Kết luận, luận văn tóm tắt các kết quả nghiên cứu chính của
luận văn cùng với những bàn luận xung quanh đóng góp mới cả về ưu điểm và hạn
chế từ đó đưa ra những gợi mở cần tiếp tục nghiên cứu.
3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHÂN PHỐI KHOÁ
LƯỢNG TỬ
Tóm tắt: Phân phối khóa lượng tử (QKD), một tên gọi khác của mật mã lượng
tử, là ứng dụng tiên tiến nhất của công nghệ truyền thông và thông tin lượng tử
(QICT). Giao thức QKD đầu tiên được đề xuất vào năm 1984, và kể từ đó, nhiều
giao thức hơn đã được đề xuất. QKD sử dụng cơ học lượng tử để cho phép trao đổi
an toàn các khóa mật mã. Để có độ tin cậy cao về tính bảo mật của các giao thức
QKD, các giao thức đó phải được chứng minh là an toàn trước mọi cuộc tấn công.
Trong chương này của luận văn sẽ thảo luận và trình bày các chứng cứ bảo mật
của các giao thức QKD. Phân tích khả năng bảo mật của các giao thức QKD dựa
trên các khái niệm vật lý cơ bản về lượng tử ứng dụng trong các giao thức phân
phối khóa lượng tử khác nhau. Chương 1 luận văn cung cấp ngắn gọn nền tảng của
QKD và cũng xác định các khái niệm cơ bản về bảo mật trong các giao thức QKD.
1.1 Vai trò của phân phối khoá lượng tử
Hiện nay có rất nhiều thuật toán mã hoá hiện đại như chuẩn mã hóa tiên tiến
(AES) rất khó bị phá vỡ nếu như không có khóa, nhưng hệ thống này có một nhược
điểm là khóa phải được biết từ cả hai phía. Như vậy mọi thuật toán mã hoá, bài toán
truyền thông kín quy về bài toán làm sao phân phối những khóa này một cách an
toàn – bản tin được mã hoá có thể được an toàn gửi đi theo một kênh công khai.
Giải pháp cho bài toán này là sử dụng một đối tượng mang an toàn để vận chuyển
khóa từ nơi gửi đến nơi nhận như mô tả hình 1.1.
Hình 1.1: Mô hình phân phối khoá
4
Giả sử, Alice muốn gửi cho Bob một tin nhắn bí mật, như một bản giao dịch
ngân hàng, thông tin chính trị….trên một kênh truyền thông có thể không an toàn.
Để làm việc này, Alice và Bob phải chia sẻ một khóa bí mật – đó là một số nhị phân
dài. Sau đó Alice có thể mã hóa tin nhắn của mình thành “mật mã” bằng một khóa
chung với thuật toán mã hóa, ví dụ như AES. Mật mã sau đó có thể được truyền đi
bằng một kênh dữ liệu bình thường, khi đó bên tấn công sẽ không thể hiểu được và
Bob có thể sử dụng khóa đó để giải mã tin nhắn. Trái với phương pháp truyền thống
của sự phân phối khóa, mật mã lượng tử đảm bảo sự an toàn của khóa đó. Khóa
cũng có thể thường xuyên thay đổi, do đó làm giảm nguy cơ bị đánh cắp hoặc bị suy
ra bởi một phép phân tích thống kê giải mã của mật mã.
Bất cứ phương pháp phân phối nào dựa trên con người cũng làm tổn hại các
khóa do tự ý hoặc bị ép buộc tiết lộ. Trái lại, mật mã lượng tử hay sự phân phối
khóa lượng tử chính xác hơn, mang lại một phương pháp tự động phân phối các
khóa bí mật bằng sợi quang hoặc không gian tự do. Đặc trưng của phân phối khóa
lượng tử là vốn dĩ an toàn: Giả sử rằng các định luật của thuyết lượng tử là đúng, thì
chúng ta có thể chứng minh khóa đó không thể bị bên tấn công thu được mà không
có sự phát hiện của người gửi và người nhận. Hơn nữa, phân phối khóa lượng tử
cho phép khóa thay đổi thường xuyên, làm giảm nguy cơ mất trộm khóa hoặc “giải
mã”, trong đó bên nghe trộm phân tích thông tin đánh cắp trong tin nhắn mã hóa để
suy luận ra khóa bí mật.
Các vấn đề còn tồn tại trong việc tạo và trao đổi khóa trong mã hóa khóa đối
xứng và mã hóa không đối xứng được giải quyết bằng khái niệm phân phối khóa
lượng tử (QKD).
1.2 Nguyên lý hoạt động giao thức phân phối khoá lượng tử
Phân phối khóa lượng tử sử dụng các tính chất của cơ học lượng tử, dùng để
phân phối khóa hệ mật mã đối xứng. Trước khi đến với phần mô tả về nguyên lý
hoạt động của QKD, luận văn sẽ giới thiệu các khái niệm và nguyên tắc cơ bản
cùng với mô tả về cơ học lượng tử được sử dụng để thực hiện phân phối khóa lượng
5
tử, từ những khái niệm vật lý cơ bản về cơ học lượng tử để khái quát hoá lên
nguyên lý hoạt động của giao thức phân phối khoá lượng tử.
1.2.1 Các khái niệm vật lý cơ bản về cơ học lượng tử
a. Cơ sở vật lý hình thành mật mã lượng tử
Những tính chất vật lý đặc biệt của cơ học lượng tử đã đặt nền móng lý thuyết
cho một lĩnh vực mới - thông tin và tính toán lượng tử. Những tính chất đặc biệt đó
của thông tin lượng tử cũng xây dựng nên một cơ chế mật mã mới – mật mã lượng
tử.
Mật mã lượng tử (Quantum Cryptography – QC) với những đặc tính hoàn toàn
khác với các cơ chế mật mã truyền thống, cho phép đảm bảo sự an toàn vô điều kiện
cho các thông điệp gửi trên mạng. Mặc dù xây dựng các máy tính lượng tử là rất
phức tạp và chưa khả thi trong một tương lai gần, nhưng việc gửi và nhận thông tin
lượng tử đã được thực hiện thành công trên các hạt ánh sáng (photon). Thực chất
vật lý lượng tử đã tham gia từ lâu vào sự phát triển của Tin học và Công nghệ thông
tin vì tính chất của các Transistor khắc trên các vi mạch của các máy tính cá nhân
ngày nay, phát minh từ năm 1947 bởi Bardeen, Brattain và Shockley, chỉ có thể lý
giải bằng lý thuyết vật lý lượng tử. Tuy nhiên phải đợi đến đầu những năm 80 của
thế kỷ XX, các nhà vật lý mới có khả năng tác động và quan sát các đối tượng
lượng tử đơn lẻ như photon, nguyên tử, i-on,… Chính khả năng tác động và quan
sát các hạt cơ bản này là nguồn gốc ra đời của ngành thông tin lượng tử, trong đó
các đối tượng lượng tử nguyên tố sẽ cho phép xây dựng vật lý các bit lượng tử hay
qubit. Những nguyên lý cơ bản của vật lý lượng tử được sử dụng trong thông tin và
mật mã lượng tử là:
Nguyên lý bất định của Heisenberg: Người ta không bao giờ có thể xác định
chính xác cả vị trí lẫn vận tốc của một hạt vào cùng một lúc. Nếu ta biết một đại
lượng càng chính xác thì ta biết đại lượng kia càng kém chính xác.
Định lý không thể sao chép (no-clonning): Dựa trên nguyên lý bất định, vì
không thể biết chắc chắn trạng thái một hệ thống lượng tử, nên không thể sao chép
hoàn hảo một hệ thống lượng tử bất kỳ.
6
Tính chất vướng víu lượng tử (entanglement): Một hệ thống lượng tử có thể
tương liên với một hay nhiều hệ thống lượng tử khác. Mỗi phân hệ sinh ngẫu nhiên
ra trạng thái của mình và không một phân hệ nào có trạng thái cố định.
Từ lâu, các nhà vật lý đã biết rằng ánh sáng vừa có bản chất hạt, vừa có bản
chất sóng. Một photon có thể xem như một điện trường thu nhỏ dao động. Hướng
dao động của điện trường được định nghĩa là sự phân cực của photon. Một đặc tính
của photon phân cực là khi người ta cho chúng đi qua một bộ lọc phân cực thì các
photon, hoặc là bị bộ lọc hấp thụ, hoặc được truyền đi nhưng với sự phân cực của
bộ lọc. Sau khi ra khỏi bộ lọc bị mất hoàn toàn thông tin về góc phân cực trước đó
của photon, hay nói một cách khác, không thể sao lại trạng thái phân cực của một
photon để thực hiện nhiều phép đo sự phân cực của photon với các bộ lọc phân cực
khác nhau.
Như vậy, khi cho một chùm photon đi qua một bộ lọc phân cực, các photon
thu được sẽ có cùng mặt phẳng phân cực của bộ lọc. Đây chính là nguyên tắc lập
mã cho photon. Bộ lọc phân cực cũng được dùng để xác định trạng thái phân cực
của photon. Ví dụ nếu nguồn photon chỉ gồm những photon có các góc phân cực 0°
và 90° thì dùng một bộ lọc 0°, người ta có thể xác định được chính xác những
photon 0° (qua) và 90° (không qua). Thao tác này gọi là phép đo phân cực của
photon. Một cặp bộ lọc phân cực trực giao để lập mã hoặc đo photon được gọi là
một cơ sở (base). Người ta có thể sử dụng một cơ sở như vậy để biểu diễn các giá trị
0 và 1 bằng các photon.
Hai cơ sở trực giao được sử dụng để mã hóa/đo các bit 0 và 1 cho các photon
là: thẳng (0°/90°) - ký hiệu
và chéo (45°/135°) - ký hiệu . Trong hệ cơ sở
thẳng, các photon có góc phân cực 0° được tương ứng với bit 1, photon có phân cực
90° với bit 0. Tương tự trong hệ cơ sở chéo, các bit này sẽ tương ứng với các
photon có góc phân cực lần lượt là 45° và 135°. Theo lý thuyết, dễ thấy rằng nếu
các photon không cùng cơ sở với bộ đo, chúng ta sẽ thu được kết quả hoàn toàn
ngẫu nhiên.
7
Bằng những kết quả nghiên cứu mới, các nhà Vật lý đã chứng minh được rằng:
việc sử dụng các tính chất kỳ lạ của vật lý lượng tử lại dẫn đến ứng dụng cụ thể đầu
tiên của Thông tin lượng tử là truyền khóa mật mã hoàn toàn đảm bảo không thể tấn
công.
b. Quantum bit (Qubit)
Một qubit (Quantum bit) hay bit lượng tử là một đơn vị thông tin lượng tử.
Trong đó một qubit miêu tả một hệ cơ học lượng tử có hai trạng thái cơ bản thường
0
1
tương ứng với hai trạng thái phân cực thẳng dọc và phân
được ký hiệu
và
cực thẳng ngang của photon. Sự khác biệt so với bit cổ điển là trạng thái
cũng
0
1
:
có thể ở dạng chồng chất cơ lượng tử của
0 1
Đối với trạng thái chuẩn hóa
kiện chuẩn hóa . Phương trình này phù hợp với hai vectơ cơ sở bất kỳ
và
=
+
(1.1)
, các biên độ phức α và β bị giới hạn bởi điều
2
+
2 =1
0
1
.
và
c. Đo lường lượng tử
Đo lường lượng tử là hành động dùng các thiết bị trong lượng tử để quan sát
của không gian Hilbert hai chiều của trạng thái
trạng thái của các photon phân cực. Trong mật mã lượng tử, đo lường là một hành
động không thể tách rời, dựa vào trạng thái phân cực của các photon để quyết định
xem bit cổ điển tương ứng của trạng thái là 0 hay 1.
Một khái niệm cần quan tâm khi nghiên cứu cơ học lượng tử là cơ sở. Cơ sở
được tạo thành từ cặp đôi trực chuẩn. Điều đó có nghĩa là nếu hai trạng thái | và
trong cùng cơ sở * (có thể là cơ sở thẳng hoặc cơ sở chéo) luôn có tích vô
hướng của hai vector bằng 0. Một trạng thái photon bất kỳ được đo trong cơ sở *,
thì kết quả đo lường chỉ có thể cho là | hoặc
.
Xét bốn trạng thái cơ bản của lượng tử là , , , , ta có tích vô hướng của
hai vectơ trạng thái và bằng 0. Như vậy cặp , được gọi là cặp đôi trực
8
chuẩn, cặp đôi này tạo lên cơ sở thẳng . Tương tự từ
chuẩn tạo lên cơ sở chéo .
,
cũng là cặp đôi trực
Khi đo lường lượng tử, một photon phân cực được sinh ra trong cơ sở nào sẽ
được đo lường đúng trong cơ sở đó. Photon sinh ra trong cơ sở thẳng và trạng
thái phân cực của photon là hoặc
trạng thái phân cực là hoặc . Cũng như vậy, photon sinh ra trong cơ sở chéo
và trạng thái phân cực của photon là hoặc thì sau khi ta đo lường photon ta
cũng được trạng thái phân cực là hoặc .
thì sau khi ta đo lường photon ta cũng được
1.2.2 Nguyên lý hoạt động của giao thức phân phối khoá lượng tử
Phân phối khóa lượng tử sử dụng các tính chất của cơ học lượng tử nêu trên,
dùng để phân phối khóa hệ mật mã đối xứng. Trong phân phối khóa lượng tử, sử
dụng hai kênh truyền là kênh truyền lượng tử và kênh truyền thông thường. Kênh
truyền lượng tử là kênh truyền sử dụng kỹ thuật lượng tử để truyền đi các qubit
thông qua cáp quang hoặc không gian. Kênh truyền thông thường là kênh truyền
công khai sử dụng kỹ thuật TCP/IP… Mô hình phân phối khóa lượng tử giữa Alice
(người gửi) và Bob (người nhận), tùy theo giao thức cụ thể được chia ra làm các
bước cụ thể, nhưng nhìn chung gồm bốn giai đoạn:
+ Giai đoạn 1: Alice thực hiện mã hóa các bit cổ điển vào các photon phân
cực (qubit), rồi chuyển các qubit này cho Bob. Bob thực hiện đo lường các qubit
này, để thiết lập khóa ban đầu.
+ Giai đoạn 2: Alice và Bob loại ra các bit mà Alice và Bob không sử dụng
cùng cơ sở là các qubit được Alice tạo ra trong một cơ sở, nhưng Bob đo lường
trong cơ sở khác.
+ Giai đoạn 3: Alice và Bob đánh giá tỷ lệ lỗi. Nếu tỷ lệ lỗi lớn quá giới hạn
lỗi họ sẽ hủy phiên truyền khóa và thực hiện lại phiên truyền khóa khác.
+ Giai đoạn 4: Alice và Bob sử dụng kỹ thuật “làm mịn khoá” để đồng nhất
khoá giữa Alice và Bob, hai bên thu được khoá đã làm mịn và tăng tính bảo mật làm
giảm thông tin của Eve về khoá, họ thu được khoá cuối cùng.
9
1.2.3 Các giao thức phân phối khóa lượng tử
Các giao thức phân phối khóa khác nhau sẽ khác nhau cách trao đổi khóa trong
thực tế. Một điểm khác biệt cơ bản để phân loại nhiều loại giao thức QKD hiện có
là phương thức thông tin được mã hóa, QKD có thể được phân loại thành hai
phương thức chính là biến rời rạc (discrete varable-DV) và biến liên tục (continous
variable-CV). Để hiểu rõ hơn về CV và DV có một ví dụ như sau, nếu có một máy
phát hiện photon đơn lẻ, sẽ có các thời điểm là phát hiện và không phát hiện, ứng
với trường hợp có photon chạm vào và không chạm vào máy phát hiện. Xét trên
phương diện toán học, kết quả của máy phát hiện là tập hợp của việc (chạm, không
chạm), số lượng kết quả đo được là rời rạc, do vậy có thuật ngữ DV. Mặt khác, nếu
một máy phát hiện homodyne có điện trường của ánh sáng tới. Các kết quả đo của
phép đo là hình chiếu của pha và biên độ của điện trường ánh sáng liên tục lên các
trục cầu phương. Phép chiếu này mang lại một giá trị liên tục như một kết quả đo
lường, do đó có thuật ngữ CV.
a. Giao thức phân phối khóa BB84
Phương pháp đầu tiên phân phối khóa mật mã trong những trạng thái lượng tử
được đề xuất vào năm 1984 bởi các nhà vật lý lý thuyết Charles Bennett tại IBM và
Gilles Brassard tại trường đại học Montreal, được biết đến là giao thức BB84.
Trong giao thức, người gửi (Alice) truyền một chuỗi đơn photon phân cực đến
người nhận (Bob), bằng cách tiến hành phép đo lượng tử và truyền thông công khai,
người gửi có thể thiết lập một khóa chia sẻ và kiểm tra xem bên nghe lén (Eve) có
chặn được bit nào thuộc khóa này trên đường đi hay không.
Giao thức BB84 không những cho phép chúng ta kiểm tra việc nghe trộm, mà
còn đảm bảo Alice và Bob có thể thiết lập một khóa bí mật, dẫu cho Eve đã xác
định được một số bit trong chuỗi nhị phân chia sẻ của Alice và Bob. Giao thức
BB84 được Bennett và Brassard đề xuất năm 1984, tên của giao thức được lấy theo
2 chữ cái đầu của tên hai tác giả và năm phát minh BB84 là giao thức phân phối
khóa lượng tử đầu tiên được đề xuất.
10
Trong giao thức BB84, Alice mã hóa mã hóa các bit cổ điển vào các photon
phân cực trong hai cơ sở chéo và cơ sở thẳng. Nghĩa là khi nào Alice muốn gửi cho
Bob một qubit, Alice sẽ chọn một trong bốn trạng thái của qubit được quy ước trong
bảng 1.1. Sau đó Alice gửi các trạng thái này cho Bob thông qua kênh truyền lượng
tử.
Bảng 1.1: Các cơ sở thẳng và chéo
Basis
0
1
Bước đầu tiên trong BB84 là truyền lượng tử. Alice tạo một bit ngẫu nhiên (0
hoặc 1) và sau đó chọn ngẫu nhiên một trong hai cơ sở của Alice (trong trường hợp
này là thẳng hoặc chéo) để truyền. Sau đó Alice chuẩn bị trạng thái phân cực photon
tùy thuộc vào giá trị bit và cơ sở, như được minh họa trong bảng trên. Ví dụ, bit 0
được mã hóa theo cơ sở thẳng
như một trạng thái phân cực đứng, và bit 1 được
mã hóa theo cơ sở chéo như một trạng thái phân cực chéo. Alice sau đó truyền
một photon đơn lẻ ở trạng thái được chỉ định cho Bob, sử dụng kênh truyền lượng
tử. Quá trình này sau đó được lặp lại từ giai đoạn bit ngẫu nhiên, Alice ghi lại trạng
thái lượng tử, cơ sở và thời gian của mỗi photon được gửi đi.
Theo cơ học lượng tử (đặc biệt là tính không xác định lượng tử), không có
phép đo nào có thể phân biệt được giữa bốn trạng thái phân cực khác nhau, vì chúng
không phải tất cả đều trực giao. Phép đo duy nhất có thể là giữa hai trạng thái trực
giao bất kỳ (cơ sở trực chuẩn). Ví dụ, đo trong cơ sở thẳng cho kết quả ngang hoặc
đứng. Nếu photon được tạo ra là ngang hoặc thẳng đứng (như là một trạng thái
riêng) thì giá trị này đo được trạng thái chính xác, nhưng nếu photon được tạo là 45°
hoặc 135° (các đường chéo) thì phép đo tuyến tính thay vào đó trả về ngang hoặc
thẳng một cách ngẫu nhiên. Hơn nữa, sau phép đo này, photon bị phân cực ở trạng
thái mà nó được đo (ngang hoặc thẳng), tất cả thông tin về phân cực ban đầu của
photon sẽ bị mất đi.
Tải về để xem bản đầy đủ
75 trang
24001
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Luận văn Phân tích hiệu năng hệ thống phân phối khóa lượng tử dựa trên vệ tinh sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- luan_van_phan_tich_hieu_nang_he_thong_phan_phoi_khoa_luong_t.pdf
