Phân phối khóa lượng tử

Phân phối khóa lượng tử (Quantum key distribution, QKD) là một phương pháp liên lạc an toàn triển khai một giao thức mật mã dựa trên các định luật của cơ học lượng tử, cụ thể là rối lượng tử, nguyên lý đo lường-nhiễu loạn, và định lý không sao chép. Mục tiêu của QKD là cho phép hai bên tạo ra một khóa bí mật ngẫu nhiên dùng chung chỉ họ mới biết, sau đó có thể được sử dụng để mã hóa và giải mã tin nhắn. Điều này có nghĩa là, khi QKD được triển khai chính xác, người ta sẽ cần vi phạm các nguyên lý vật lý cơ bản để phá vỡ một giao thức lượng tử. Quá trình QKD không nên bị nhầm lẫn với mật mã lượng tử nói chung. Một tính chất quan trọng và độc đáo của QKD là khả năng của hai người dùng đang giao tiếp phát hiện sự hiện diện của bất kỳ bên thứ ba nào đang cố gắng đoạt được kiến thức về khóa. Điều này xuất phát từ một khía cạnh cơ bản của cơ học lượng tử: quá trình đo lường một hệ lượng tử nói chung làm nhiễu loạn hệ thống. Điều này có nghĩa là, một bên thứ ba cố gắng nghe lén khóa phải đo lường nó theo một cách nào đó, do đó đưa ra những bất thường có thể phát hiện được, từ đó tiết lộ sự hiện diện của kẻ nghe lén.

Đại cương
Tính chất độc đáo này của phân phối khóa lượng tử đảm bảo rằng các khóa được phân phối vẫn an toàn, vì bất kỳ nỗ lực chặn bắt nào cũng sẽ lộ rõ ngay lập tức và sẽ làm mất hiệu lực khóa đã trao đổi. Bằng cách sử dụng các chồng chập lượng tử hoặc rối lượng tử và truyền thông tin ở các trạng thái lượng tử, một hệ thống liên lạc có thể được triển khai để phát hiện việc nghe lén. Nếu mức độ nghe lén dưới một ngưỡng nhất định, một khóa có thể được tạo ra được đảm bảo an toàn (tức là, kẻ nghe lén không có thông tin về nó). Ngược lại thì không thể có khóa an toàn, và liên lạc bị hủy bỏ. Sự an toàn của mã hóa sử dụng phân phối khóa lượng tử dựa trên nền tảng của cơ học lượng tử, trái ngược với mật mã khóa công khai truyền thống, vốn dựa trên độ khó tính toán của các hàm toán học nhất định, mặc dù được phỏng đoán là mạnh nhưng cho đến nay vẫn chưa được chứng minh một cách chính thức. Ngược lại, QKD có tính bảo mật có thể chứng minh được dựa trên lý thuyết thông tin, và bí mật chuyển tiếp. Hạn chế chính của phân phối khóa lượng tử là nó thường dựa vào việc có một kênh liên lạc cổ điển được xác thực. Trong mật mã học hiện đại, việc có một kênh cổ điển được xác thực có nghĩa là người ta đã trao đổi một khóa đối xứng có độ dài đủ lớn hoặc các khóa công khai có mức độ bảo mật đủ cao. 

Với thông tin như vậy đã có sẵn, trong thực tế, người ta có thể đạt được liên lạc được xác thực và đủ an toàn mà không cần sử dụng QKD, chẳng hạn như bằng cách sử dụng Galois/Counter Mode của Tiêu chuẩn Mã hóa Nâng cao (AES). Do đó, QKD thực hiện công việc của một mã dòng với chi phí gấp nhiều lần. Phân phối khóa lượng tử chỉ được sử dụng để tạo và phân phối một khóa, không phải để truyền bất kỳ dữ liệu tin nhắn nào. Khóa này sau đó có thể được sử dụng với bất kỳ thuật toán mã hóa nào được chọn để mã hóa (và giải mã) tin nhắn, sau đó tin nhắn có thể được truyền qua một kênh truyền thông tiêu chuẩn. Thuật toán thường được liên kết nhất với QKD là mật mã dùng một lần, vì nó an toàn chứng minh được khi sử dụng với một khóa bí mật, ngẫu nhiên. Trong các tình huống thực tế, nó cũng thường được sử dụng với mã hóa sử dụng các thuật toán khóa đối xứng như thuật toán Tiêu chuẩn Mã hóa Nâng cao. Truyền thông lượng tử liên quan đến việc mã hóa thông tin trong các trạng thái lượng tử, hoặc qubit, trái ngược với việc sử dụng bit của truyền thông cổ điển. Một giao thức chuẩn bị-và-đo lường là một kỹ thuật cơ bản được sử dụng để thiết lập một khóa mật mã an toàn giữa hai bên, thường được gọi là Alice và Bob. 

Các bên khai thác hai kênh liên lạc, một kênh lượng tử không an toàn và một kênh cổ điển được xác thực. Kênh lượng tử truyền các trạng thái tín hiệu, mà một kẻ nghe lén thường có toàn quyền kiểm soát. Như vậy, Alice chuẩn bị các trạng thái lượng tử theo cơ sở của mình và gửi chúng qua một kênh lượng tử đến Bob, người đo lường chúng để lấy thông tin từ trạng thái được truyền mà họ sử dụng để tạo ra một khóa bí mật dùng chung. Sau đó, Alice và Bob tiết lộ một mẫu nhỏ dữ liệu của họ và xác minh rằng các kết quả đo lường của Bob thực sự tương thích hoặc tương quan với những gì Alice đã chuẩn bị. Nếu các phép đo tương thích, điều đó có nghĩa là các trạng thái lượng tử không bị xáo trộn. Tuy nhiên, nếu các phép đo không tương thích, điều này cho thấy sự hiện diện của một kẻ nghe lén và, tùy thuộc vào mức độ lỗi, các bên có thể hủy bỏ giao thức. Điều quan trọng cần nhấn mạnh là kênh cổ điển được xác thực. Điều này cho phép Alice và Bob chắc chắn rằng họ chỉ đang nói chuyện với nhau và không bị mạo danh. Như vậy kẻ nghe lén chỉ có thể nghe cuộc giao tiếp nhưng không thể sửa đổi các tin nhắn được gửi giữa Alice và Bob. Các ví dụ về giao thức chuẩn bị-và-đo lường bao gồm các giao thức BB84, B92 và SARG04. Các ví dụ về giao thức dựa trên sự rối bao gồm các giao thức E91, BBM92. Vào năm 2008, việc trao đổi các khóa an toàn ở tốc độ 1 Mbit/s (qua 20 km sợi quang) và 10 kbit/s (qua 100 km sợi quang), đã đạt được bởi sự hợp tác giữa Đại học Cambridge và Toshiba sử dụng giao thức BB84 với các xung trạng thái mồi nhử (decoy state).

Chú thích

Liên kết ngoài
 Quantum Computing 101
 Scientific American Magazine (January 2005 Issue) Best-Kept Secrets Non-technical article on quantum cryptography
 Physics World Magazine (March 2007 Issue) Non-technical article on current state and future of quantum communication
 
 
 SECOQC White Paper on Quantum Key Distribution and Cryptography European project to create a large scale quantum cryptography network, includes discussion of current QKD approaches and comparison with classical cryptography
 The future of cryptography  May 2003 Tomasz Grabowski
 ARDA Quantum Cryptography Roadmap
 Lectures at the Institut Henri Poincaré (slides and videos)
 Interactive quantum cryptography demonstration experiment with single photons for education
  Description of entanglement based quantum cryptography from Artur Ekert.

  Description of BB84 protocol and privacy amplification by Sharon Goldwater.
 
 Public debate on the Security of Quantum Key Distribution at the conference Hot Topics in Physical Informatics, 11 November 2013 
 Quantiki.org – Quantum Information portal and wiki 
 Interactive BB84 simulation
 Online Simulation and Analysis Toolkit for Quantum Key Distribution 
 Experimental Quantum Cryptography with Entangled Photons
 NIST Quantum Information Networks
 Free Space Quantum Cryptography
 Experimental Continuous Variable QKD, MPL Erlangen 
 Experimental Quantum Hacking, MPL Erlangen 
 Quantum cryptography lab. Pljonkin A.P.
 AUREA Technology sells the optical building blocks for Quantum cryptography
 id Quantique sells Quantum Key Distribution products
 MagiQ Technologies sells quantum devices for cryptography
 QuintessenceLabs Solutions based on continuous wave lasers
 SeQureNet sells Quantum Key Distribution products using continuous-variables
 Toshiba
 Hewlett Packard
 IBM
 Mitsubishi
 NEC
 NTT
Cơ học lượng tử