Theo một nghiên cứu công bố trên tạp chí Science trong tuần này, nhóm do ông Pan Jianwei dẫn dắt tại Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc đã sử dụng một cặp nguyên tử rubidi đơn lẻ, được giữ cố định bằng các chùm tia laser tại 2 nút mạng riêng biệt, để làm nền tảng cho hệ thống. Các nhà nghiên cứu tạo ra liên kết lượng tử giữa 2 nguyên tử bằng cách sử dụng các hạt ánh sáng đơn lẻ, hay còn gọi là photon.
Bằng cách so sánh trạng thái của các nguyên tử ở 2 đầu mạng, nhóm nghiên cứu tạo ra những chuỗi số 0 và 1 giống hệt nhau - đóng vai trò như một khóa bí mật dùng cho mã hóa. Điểm khiến thí nghiệm này trở nên khác biệt là phương pháp được sử dụng, gọi là phân phối khóa lượng tử độc lập thiết bị (DI-QKD), vẫn đảm bảo an toàn ngay cả khi các thiết bị bị lỗi hoặc bị can thiệp bên ngoài.
Phương pháp này tạo ra tính bảo mật dựa trên các quy luật của cơ học lượng tử, chi phối trạng thái rối lượng tử của các nguyên tử, nhờ đó giúp hệ thống được bảo vệ trước những lỗ hổng trong điều kiện vận hành thực tế – vốn từ lâu đã là thách thức lớn đối với các hệ thống truyền thông lượng tử.
Các nhà nghiên cứu cho biết, trước đây DI-QKD mới chỉ được chứng minh trong phòng thí nghiệm ở các khoảng cách ngắn, và nghiên cứu lần này đã góp phần “thu hẹp khoảng cách giữa các thí nghiệm mang tính nguyên lý và các ứng dụng trong thế giới thực”.
Ông Steve Rolston, nhà vật lý lượng tử tại Đại học Maryland (Mỹ), người không tham gia nghiên cứu, nhận xét kết quả này là “một bước tiến lớn” so với kỷ lục trước đó của nhóm nghiên cứu, vốn chỉ đạt khoảng cách 220 mét (722 feet).
Tuy vậy, ông Rolston cũng cho rằng công nghệ này vẫn còn một khoảng cách dài trước khi có thể đưa vào ứng dụng thực tế. Theo ông, hệ thống hiện chỉ tạo ra chưa đến một bit khóa bảo mật mỗi 10 giây - con số “rất thấp” nếu đặt cạnh khả năng xử lý hàng tỷ bit mỗi giây của Internet cáp quang thông thường.
Ông cũng nhấn mạnh rằng thí nghiệm được thực hiện trong điều kiện phòng thí nghiệm với cáp quang cuộn, hoàn toàn khác với môi trường viễn thông ngoài thực tế vốn nhiều nhiễu động, nơi các dao động nhiệt độ và rung chấn có thể dễ dàng làm gián đoạn các liên kết lượng tử vốn rất mong manh.
Khác với các phương pháp mã hóa truyền thống - dựa trên những bài toán toán học phức tạp có thể bị máy tính lượng tử trong tương lai phá vỡ - phân phối khóa lượng tử (QKD) sử dụng các định luật của vật lý lượng tử để tạo ra các khóa mã hóa gần như không thể bị nghe lén hay sao chép mà không bị phát hiện.
QKD xuất hiện từ cuối những năm 1990, ban đầu hoạt động dựa trên các kết nối trực tiếp giữa người dùng. Đến năm 2016, nhóm nghiên cứu do ông Pan Jianwei dẫn dắt đã xây dựng mạng truyền thông lượng tử dài 2.000 km nối Bắc Kinh và Thượng Hải, với các trạm chuyển tiếp đặt cách nhau khoảng 100 km. Tuy nhiên, việc phải đặt niềm tin vào các trạm trung gian này cũng đồng thời tạo ra những rủi ro về an ninh thông tin.
Cách tiếp cận độc lập thiết bị mới đã khắc phục hạn chế này. Thay vì phải tin cậy vào các trạm trung gian, hệ thống chỉ cần một cặp hạt ở trạng thái rối lượng tử cùng một phép kiểm định thống kê để xác nhận tính xác thực của liên kết, ngay cả khi thiết bị gặp lỗi hoặc bị can thiệp có chủ ý.
Trong hơn một thập kỷ qua, các nhóm nghiên cứu tại Trung Quốc, châu Âu và Mỹ đã theo đuổi phương pháp này. Dù các nguyên lý vật lý nền tảng đã được chứng minh từ lâu, tốc độ tạo khóa quá thấp và các yêu cầu kỹ thuật khắt khe từng khiến DI-QKD chỉ khả thi trong phạm vi vài trăm mét – cho đến hiện nay.
Ông Rolston cho rằng, trong khi Trung Quốc dường như coi truyền thông lượng tử là một ưu tiên ở cấp quốc gia, thì Mỹ lại có lập trường thận trọng hơn nhiều. Cơ quan An ninh Quốc gia Mỹ (NSA) đã công khai khuyến cáo không cấp ngân sách liên bang cho QKD và mật mã lượng tử, với lý do là các hạn chế kỹ thuật như thách thức về hạ tầng, chi phí cao và khả năng mở rộng kém.
Trên website của mình, NSA cảnh báo rằng nhu cầu truyền thông và mục tiêu an ninh trong các hệ thống QKD có thể mâu thuẫn với nhau, và các hệ thống này có thể bị suy yếu bởi những sai sót kỹ thuật rất nhỏ. Cơ quan này cho rằng mức độ an toàn của các hệ thống đó phụ thuộc nhiều vào cách chúng được xây dựng, chứ không hoàn toàn dựa vào “các định luật vật lý” như một số tuyên bố.
Thay vào đó, NSA ủng hộ mật mã hậu lượng tử - một nhóm thuật toán mã hóa truyền thống được thiết kế để chống lại các cuộc tấn công từ máy tính lượng tử, nhờ có chi phí thấp hơn và dễ triển khai trên quy mô lớn.
“NSA không ủng hộ việc sử dụng QKD hoặc QC để bảo vệ thông tin liên lạc trong các hệ thống an ninh quốc gia, và cũng không dự định sẽ chứng nhận hay phê duyệt bất kỳ sản phẩm bảo mật QKD hoặc QC nào… trừ khi những hạn chế này được khắc phục”, cơ quan này nhấn mạnh.
Theo SCMP
