MỞ ĐẦU Bảo mật thông tin ngày càng trở thành vấn đề quan trọng và cần quan tâm khi truyền thông, đặc biệt là những thông tin được truyền qua cơ sở hạ tầng mạng Internet không được bảo mật. Các phương pháp bảo mật khi truyền thông tin hiện nay chủ yếu dựa trên tính bí mật của khóa được mã hóa. Mức độ bảo mật sẽ phụ thuộc vào độ phức tạp của thuật toán được dùng để mã hóa khóa và độ dài của khóa. Các thuật toán càng khó, độ dài của khóa càng lớn thì tính bảo mật của khóa càng được đảm bảo.
Tuy nhiên, với sự ra đời của các máy tính lượng tử với tốc độ xử lý lớn gấp nhiều lần máy tính hiện nay, nếu một hệ thống bảo mật chỉ dựa vào tính phức tạp của thuật toán hoàn toàn có thể bị phá khóa [57, 77, 78]. Một trong những giải pháp khả thi để bảo mật Internet trong tương lai là sử dụng phân phối khóa lượng tử (Quantum Key Distribution – QKD) khi truyền tin. QKD là phương pháp phân phối khóa bí mật dựa trên vật lý lượng tử thay vì sử dụng độ phức tạp của các thuật toán trong toán học như các phương pháp phân phối khóa truyền thống [22, 72]. Động lực cơ bản cho nghiên cứu QKD là theo lý thuyết thông tin của Shannon [73], bảo mật vô điều kiện (bảo mật hoàn hảo) có thể đạt được khi sử dụng khóa đối xứng đủ dài và chỉ một lần [30].
Vấn đề đặt ra là yêu cầu cần phải có một kênh an toàn để truyền khóa từ bên phát tới bên thu. Do đó, nếu đảm bảo một phương thức bảo mật để phân phối khóa, chúng ta có thể đạt được bảo mật vô điều kiện để phân phối khóa an toàn giữa hai bên hợp pháp trong các mạng truyền thông cho dù có sự hiện diện của kẻ nghe lén. Dựa theo cách ánh xạ thông tin khóa cần truyền đi vào biến rời rạc hay biến liên tục, có hai loại QKD là QKD biến rời rạc (Discrete Variable – Quantum Key Distribution – DV-QKD) và QKD biến liên tục (Continuous Variable – Quantum Key Distribution – CV-QKD). DV-QKD có nhiều ưu điểm về tính bảo mật tuy nhiên do máy thu DV-QKD yêu cầu sử dụng các thiết bị tách đơn photon phức tạp và đắt tiền, tốc độ truyền khóa nhỏ nên DV-QKD khó thực hiện trong thực tế.
CV-QKD có ưu điểm về khả năng tương thích với các hệ thống truyền thông i 2 quang đã có và tốc độ khóa cao. CV-QKD ngày càng thu hút được sự quan tâm của cộng đồng các nhà nghiên cứu bởi những ưu điểm mà nó mang lại. Nguyên lý hoạt động của một hệ thống QKD bao gồm hai giai đoạn là truyền thông lượng tử và thống nhất khóa. Giai đoạn truyền thông lượng tử bao gồm ba bước là: (1) Chuẩn bị trạng thái lượng tử, (2) Truyền trạng thái lượng tử và (3) Đo trạng thái lượng tử để lấy thông tin.
Một giao thức phân phối khóa lượng tử gồm bốn bước, bao gồm: (1) Bên phát chọn ngẫu nhiên một trong hai trạng thái phân cực để mã hóa mỗi một bit nhị phân trong khóa thô truyền đi; (2) Bên thu thực hiện việc tách và xác định giá trị bit thu được bằng việc lựa chọn ngẫu nhiên phân cực; (3) Bên thu trao đổi thông tin với bên phát về phân cực được sử dụng để giải mã các bit thu được, bên phát sẽ báo cho bên thu biết phân cực mà bên thu dùng là đúng hay sai và tạo khóa chọn lọc và (4) Sửa lỗi và tạo ra khóa bí mật. Trong đó, bước 1 và 2 của giao thức phân phối khóa lượng tử thuộc về giai đoạn một trong hoạt động của một hệ thống QKD là truyền thông lượng tử. Bước 3 và 4 của giao thức phân phối khóa sẽ thuộc về giai đoạn hai, thống nhất khóa, giai đoạn này sử dụng kênh riêng có xác thực để chia sẻ các thông tin về chọn và tạo khóa. Ngoài ra, việc truyền thông tin không chỉ giới hạn trong một quốc gia hay một tổ chức mà phải đáp ứng trong một khoảng cách lớn như giữa các quốc gia trong hệ thống thông tin toàn cầu.
Sử dụng vệ tinh để phân phối khóa lượng tử tới các trạm mặt đất thông qua kênh quang không gian tự do (Free Space Optics – FSO) là một giải pháp hứa hẹn tạo ra một mạng QKD có phạm vi toàn cầu. Để có thể đáp ứng yêu cầu truyền khóa có tốc độ đủ lớn, tỷ lệ lỗi bit lượng tử đủ nhỏ đảm bảo cho quá trình sửa lỗi bên phía thu, khoảng cách lớn ở quy mô toàn cầu thì hệ thống phân phối khóa lượng tử qua không gian tự do QKD-FSO cần vượt qua nhiều thách thức. Các thách thức xuất hiện là do các nguyên nhân: nhiễu và tạp âm tại bên phát và bên thu [11, 43]; sự can thiệp của kẻ nghe lén; những ảnh hưởng của môi trường không gian tự do; sự thăng giáng của cường độ tín hiệu quang thu được; sự lệch hướng giữa thấu kính phát và thấu kính thu. Trong đó, những yếu tố ảnh i 3 hưởng của môi trường không gian tự do có thể kể đến như: suy hao trên đường truyền có giá trị lớn, phụ thuộc vào yếu tố môi trường và thời tiết (sương mù, mưa, tuyết, gió); đặc biệt là tác động của điều kiện khí quyển, bao gồm sự hấp thụ, tán xạ và nhiễu loạn khí quyển.
Do ảnh hưởng của các yếu tố đã nêu ở trên, hiệu năng của hệ thống QKD-FSO sử dụng vệ tinh sẽ bị hạn chế và cần có các biện pháp để nâng cao hiệu năng hệ thống nhằm phục vụ cho mục đích truyền khóa trong hệ thống QKD toàn cầu. Xuất phát từ nhu cầu cần thiết phải nâng cao hiệu năng của hệ thống QKD-FSO và tận dụng những ưu điểm của hệ thống phân phối khóa lượng tử biến liên tục CV- QKD, nghiên cứu sinh đã quyết định lựa chọn 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” cho luận án của mình. Luận án sẽ tập trung xây dựng các mô hình toán học để phân tích, đánh giá hiệu năng hệ thống QKD-FSO với các tham số hệ thống, điều kiện đường truyền và đề xuất các giải pháp cải thiện hiệu năng truyền dẫn FSO khác nhau cho hệ thống CV- QKD. Kết quả nghiên cứu của luận án sẽ phục vụ cho những nghiên cứu tiếp theo như thiết kế hệ thống, đánh giá tính khả thi của hệ thống đề xuất, xác định điều kiện hoạt động tin cậy của hệ thống đề xuất ở điều kiện cụ thể.
Ý nghĩa thực tiễn đạt được của luận án thể hiện ở các giải pháp mà luận án đề xuất nhằm cải thiện hiệu năng, cụ thể là giảm tỷ lệ lỗi bit lượng tử, tăng cự ly truyền dẫn, tăng tốc độ truyền khóa lượng tử cho hệ thống truyền khóa lượng tử qua không gian tự do QKD-FSO. Từ đó góp phần thúc đẩy quá trình triển khai ứng dụng hệ thống truyền khóa lượng tử trong truyền thông. Mục tiêu chính mà luận án hướng tới là đề xuất và đánh giá tính khả thi của các giải pháp cải thiện hiệu năng truyền dẫn quang qua không gian tự do trong hệ thống phân phối khóa lượng tử biến liên tục dưới ảnh hưởng của môi trường truyền dẫn (nhiễu loạn, suy hao, .), nhiễu tại bên thu và sự có mặt của kẻ nghe lén. i 4 Đối tượng nghiên cứu của luận án là truyền dẫn quang qua không gian tự do trong hệ thống phân phối khóa lượng tử biến liên tục và hiệu năng của hệ thống này.
Phạm vi nghiên cứu giới hạn với các hệ thống truyền khóa lượng tử biến liên tục qua không gian tự do trong đó giả thiết vệ tinh là nút tin cậy đóng vai trò tạo và phân phối khóa tới các trạm mặt đất. Hệ thống được nghiên cứu ở kịch bản đơn kênh và đa kênh. Nội dung nghiên cứu của luận án sẽ giới hạn trong bước 1 và bước 2 của giao thức phân phối khóa lượng tử, đó là truyền dẫn khóa lượng tử. Luận án sẽ nghiên cứu các giải pháp cải thiện hiệu năng truyền dẫn khóa thô trong giai đoạn đầu tiên của giao thức QKD, với mục tiêu đề xuất các hệ thống truyền dẫn khóa lượng tử giữa bên phát Alice và bên thu hợp lệ Bob có tỷ lệ lỗi bit lượng tử và xác suất chọn lọc đạt yêu cầu thiết kế.
Các thủ tục xảy ra ở các bước tiếp theo của giao thức giả thiết không có sai sót và không ảnh hưởng tới tham số hiệu năng của hệ thống truyền dẫn khóa lượng tử. Các tham số hiệu năng của hệ thống được đánh giá và khảo sát trong luận án này là tỷ lệ lỗi bit lượng tử (Quantum Bit Error Rate – QBER), xác suất chọn lọc Psift, tốc độ khóa bí mật (Secret Key Rate – SKR), tỷ lệ mất khóa (Key Loss Rate – KLR) và tỷ lệ trễ vượt ngưỡng. Để đạt được mục tiêu nghiên cứu đã nêu ở trên, các nhiệm vụ nghiên cứu trong quá trình thực hiện luận án được xác định bao gồm: (1) nghiên cứu tổng quan về hệ thống phân phối khóa lượng tử qua không gian tự do dựa trên vệ tinh, (2) đề xuất áp dụng các giải pháp cải thiện hiệu năng truyền dẫn FSO trong hệ thống phân phối khóa lượng tử biến liên tục dựa trên vệ tinh và (3) kiểm chứng về hiệu năng của các giải pháp đã đề xuất. Cụ thể, trong phần tổng quan về hệ thống phân phối khóa lượng tử qua không gian tự do QKD-FSO, luận án tập trung vào khảo sát, phân tích, đánh giá các kết quả nghiên cứu của các tác giả đi trước có nghiên cứu liên quan đến hiệu năng của hệ thống phân phối khóa lượng tử để rút ra những hạn chế và tìm ra hướng nghiên cứu của riêng mình.
Tiếp theo, luận án sẽ đề xuất các giải pháp nâng cao hiệu năng của hệ thống. Cuối cùng, luận án sẽ thực hiện kiểm chứng các giải pháp i 5 đã đề xuất dựa trên việc xây dựng các mô hình toán học và kết quả khảo sát hiệu năng dựa trên công cụ phần mềm Matlab. Trên cơ sở các nhiệm vụ nghiên cứu đã nêu ở trên, phương pháp nghiên cứu được nghiên cứu sinh áp dụng trong luận án là nghiên cứu lý thuyết, dựa trên lý thuyết thông tin và nguyên lý truyền thông lượng tử. Các công cụ toán học và xác suất được sử dụng trong việc xây dựng mô hình toán học phân tích hiệu năng của hệ thống QKD-FSO.
Công cụ phần mềm được sử dụng trong việc khảo sát và đưa ra các kết quả phân tích hiệu năng.