Luận án tiến sĩ: Cải thiện hiệu năng truyền dẫn quang qua không gian tự do trong hệ thống phân phối khóa lượng tử biến liên tục

• Tác giả: Phan Thị Thu Hằng
• Người hướng dẫn: PGS. Đặng Thế Ngọc
• Trường học: Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông
• Đề tài: Nghiên cứu cải thiện hiệu năng truyền dẫn quang qua không gian tự do trong hệ thống phân phối khóa lượng tử biến liên tục
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu chung về bảo mật thông tin và mã hóa dữ liệu
• 1.2. Hệ thống phân phối khóa lượng tử QKD
• 1.3. Sự cần thiết của hệ thống phân phối khóa lượng tử QKD
• 1.4. Các kiểu tấn công có thể xảy ra đối với hệ thống QKD
• 1.5. Phân loại hệ thống QKD
• 1.5.1. QKD biến rời rạc DV-QKD
• 1.5.2. QKD biến liên tục CV-QKD
• 1.6. Giao thức BB84
• 1.7. Truyền thông quang trong không gian tự do FSO
• 1.7.1. Truyền thông quang trong không gian tự do sử dụng vệ tinh
• 1.7.2. Hệ thống phân phối khóa lượng tử biến liên tục sử dụng vệ tinh
• 1.8. Các tham số đánh giá hiệu năng của hệ thống QKD-FSO
• 1.9. Các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu năng truyền dẫn quang qua không gian tự do trong hệ thống phân phối khóa lượng tử biến liên tục
• 1.10. Các bộ tách quang
• 1.11. Các giao thức QKD
• 1.12. Các kỹ thuật và cấu trúc trong QKD
• 1.13. Kênh truyền FSO
• 1.14. Phân hệ xử lý tín hiệu số
• 1.15. Các công trình nghiên cứu liên quan đến đề tài luận án
• 1.15.1. Các công trình nghiên cứu trong nước
• 1.15.2. Các công trình nghiên cứu trên thế giới
• 1.16. Nhận xét về công trình nghiên cứu của các tác giả khác và hướng nghiên cứu của luận án
• 1.16.1. Nhận xét về công trình nghiên cứu của các tác giả khác
• 1.16.2. Hướng nghiên cứu của luận án
• 1.17. Kết luận Chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG QKD-FSO BIẾN LIÊN TỤC DỰA TRÊN ĐIỀU CHẾ PHA
• 2.1. Mô hình kênh truyền FSO
• 2.2. Suy hao trong không gian tự do
• 2.3. Suy hao do khí quyển
• 2.4. Suy hao do trải rộng chùm tia và sự lệch hướng
• 2.5. Ảnh hưởng của pha-đinh do nhiễu loạn khí quyển
• 2.6. Hệ thống QKD-FSO biến liên tục dựa trên điều chế pha
• 2.7. Mã hóa bit lượng tử sử dụng điều chế pha cầu phương QPSK
• 2.8. Mô hình hệ thống đề xuất
• 2.9. Phân tích hiệu năng hệ thống
• 2.10. Kết quả khảo sát hiệu năng hệ thống
• 2.11. Kết luận Chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: CẢI THIỆN HIỆU NĂNG HỆ THỐNG QKD-FSO SỬ DỤNG KỸ THUẬT TRUYỀN LẠI KHÓA VÀ CHUYỂN TIẾP
• 3.1. Hệ thống phân phối khóa lượng tử biến liên tục dựa trên vệ tinh sử dụng kỹ thuật truyền lại khóa kiểu ARQ
• 3.2. Mô hình hệ thống đề xuất
• 3.3. Giao thức CV-QKD sử dụng
• 3.4. Kỹ thuật ARQ
• 3.5. Phân tích hiệu năng hệ thống
• 3.6. Phân tích hiệu năng lớp vật lý
• 3.7. Phân tích hiệu năng lớp liên kết
• 3.8. Kết quả khảo sát hiệu năng hệ thống
• 3.9. Khả năng an ninh của hệ thống đề xuất
• 3.10. Hệ thống QKD-FSO sử dụng kỹ thuật truyền lại khóa và chuyển tiếp
• 3.11. Mô hình hệ thống đề xuất
• 3.12. Kỹ thuật truyền lại khóa
• 3.13. Phân tích hiệu năng hệ thống
• 3.14. Kết quả khảo sát hiệu năng hệ thống
• 3.15. Kết luận Chương 3
• 4. CHƯƠNG 4: HỆ THỐNG QKD-FSO ĐA KÊNH ĐA NGƯỜI SỬ DỤNG
• 4.1. Hệ thống QKD-FSO sử dụng kỹ thuật ghép kênh sóng mang phụ SCM và ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM
• 4.2. Mô hình hệ thống đề xuất
• 4.3. Giao thức CV-QKD sử dụng
• 4.4. Phân tích hiệu năng hệ thống
• 4.5. Kết quả khảo sát hiệu năng hệ thống
• 4.6. Hệ thống CV-QKD đa người sử dụng với kỹ thuật CDMA quang
• 4.7. Mô hình hệ thống đề xuất
• 4.8. Mô hình kênh truyền
• 4.9. Phân tích hiệu năng hệ thống
• 4.10. Kết quả khảo sát hiệu năng hệ thống
• 4.11. Kết luận Chương 4
• CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về truyền dẫn khóa lượng tử qua không gian tự do

Nghiên cứu về truyền dẫn quang trong hệ thống phân phối khóa lượng tử biến liên tục (CV-QKD) đã trở thành một lĩnh vực quan trọng trong bảo mật thông tin. Hệ thống phân phối khóa lượng tử (QKD) cho phép tạo ra các khóa bí mật giữa hai bên mà không thể bị nghe lén. Các giao thức như BB84 và CV-QKD đã được phát triển để cải thiện hiệu năng và bảo mật. Hệ thống QKD biến liên tục sử dụng các phương pháp điều chế pha để truyền tải thông tin một cách hiệu quả. Việc cải thiện hiệu năng của hệ thống này không chỉ giúp tăng cường bảo mật mà còn nâng cao khả năng truyền thông trong các ứng dụng thực tế. Theo nghiên cứu, các yếu tố như suy hao trong không gian tự do và nhiễu loạn khí quyển có ảnh hưởng lớn đến hiệu năng của hệ thống. Do đó, việc phân tích và tối ưu hóa các tham số này là cần thiết để đạt được hiệu quả tối ưu trong truyền dẫn quang.

1.1. Hệ thống phân phối khóa lượng tử

Hệ thống phân phối khóa lượng tử (QKD) là một công nghệ tiên tiến cho phép hai bên chia sẻ khóa bí mật một cách an toàn. Các giao thức QKD như DV-QKD và CV-QKD có những ưu điểm và nhược điểm riêng. DV-QKD sử dụng các bit lượng tử rời rạc, trong khi CV-QKD sử dụng các trạng thái lượng tử liên tục. Nghiên cứu cho thấy rằng CV-QKD có thể đạt được hiệu suất cao hơn trong các điều kiện nhất định, đặc biệt là trong môi trường có nhiều nhiễu loạn. Hệ thống này có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực, từ ngân hàng đến truyền thông quân sự, nơi mà bảo mật thông tin là rất quan trọng.

1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu năng truyền dẫn

Hiệu năng của hệ thống truyền dẫn quang trong QKD bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm suy hao do khí quyển, độ phân giải của bộ thu và các yếu tố môi trường khác. Suy hao trong không gian tự do có thể làm giảm chất lượng tín hiệu, dẫn đến tỷ lệ lỗi cao hơn. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa các tham số như công suất phát và độ nhạy của bộ thu có thể cải thiện đáng kể hiệu năng của hệ thống. Các kỹ thuật như điều chế pha và sử dụng bộ tách sóng cũng được đề xuất để nâng cao khả năng truyền dẫn trong các điều kiện khó khăn.

II. Cải thiện hiệu năng hệ thống QKD FSO

Việc cải thiện hiệu năng của hệ thống QKD-FSO là một thách thức lớn trong nghiên cứu hiện nay. Các kỹ thuật như truyền lại khóa và chuyển tiếp đã được áp dụng để nâng cao khả năng truyền dẫn. Hệ thống phân phối khóa lượng tử biến liên tục dựa trên vệ tinh sử dụng kỹ thuật truyền lại khóa kiểu ARQ cho phép cải thiện đáng kể tỷ lệ khóa bí mật. Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng các giao thức CV-QKD kết hợp với kỹ thuật ARQ có thể giúp giảm thiểu tỷ lệ mất khóa và tăng cường bảo mật. Hệ thống này không chỉ có khả năng truyền tải thông tin an toàn mà còn có thể mở rộng cho nhiều người sử dụng, tạo ra một mạng lưới truyền thông mạnh mẽ.

2.1. Kỹ thuật truyền lại khóa

Kỹ thuật truyền lại khóa kiểu ARQ cho phép hệ thống QKD-FSO cải thiện khả năng truyền tải thông tin. Bằng cách sử dụng các tín hiệu phản hồi, hệ thống có thể điều chỉnh các tham số truyền dẫn để tối ưu hóa hiệu suất. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng kỹ thuật này có thể giảm thiểu tỷ lệ lỗi và tăng cường khả năng bảo mật. Hệ thống này có thể được áp dụng trong các tình huống thực tế, nơi mà việc truyền tải thông tin an toàn là rất quan trọng.

2.2. Phân tích hiệu năng hệ thống

Phân tích hiệu năng của hệ thống QKD-FSO là một phần quan trọng trong nghiên cứu. Các tham số như tỷ lệ lỗi bit lượng tử (QBER) và tỷ lệ khóa bí mật (SKR) cần được đánh giá để xác định khả năng hoạt động của hệ thống. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa các tham số này có thể giúp cải thiện đáng kể hiệu suất của hệ thống. Các mô hình toán học và mô phỏng cũng được sử dụng để dự đoán hiệu năng của hệ thống trong các điều kiện khác nhau.