Tổng quan nghiên cứu

Phân phối khóa lượng tử (Quantum Key Distribution - QKD) là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong kỹ thuật viễn thông, đặc biệt trong bối cảnh nhu cầu bảo mật thông tin ngày càng tăng cao. Theo ước tính, các hệ thống truyền thông hiện đại đang đối mặt với nguy cơ bị tấn công và đánh cắp dữ liệu do kênh truyền không an toàn. QKD sử dụng các nguyên lý vật lý lượng tử để trao đổi khóa bí mật một cách an toàn, ngay cả khi có sự hiện diện của bên nghe trộm. Mục tiêu chính của luận văn là phân tích hiệu năng hệ thống phân phối khóa lượng tử dựa trên vệ tinh sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp tại hạ tầng trên cao (High Altitude Platform - HAP), tập trung vào tham số tốc độ khóa bí mật.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô hình QKD/FSO (Free Space Optical) kết nối vệ tinh quỹ đạo thấp (LEO) với trạm mặt đất thông qua HAP, trong khoảng thời gian nghiên cứu đến năm 2021 tại Việt Nam. Việc ứng dụng kỹ thuật chuyển tiếp tại HAP nhằm cải thiện hiệu năng truyền dẫn trong môi trường khí quyển có nhiều nhiễu loạn. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển mạng truyền thông lượng tử toàn cầu, nâng cao tính bảo mật và khả năng ứng dụng trong các hệ thống viễn thông hiện đại, đặc biệt trong các kịch bản di động và quân sự.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: cơ học lượng tử và truyền thông quang không gian tự do (FSO). Cơ học lượng tử cung cấp nền tảng cho các giao thức QKD, trong đó các khái niệm như qubit, nguyên lý bất định Heisenberg, định lý không thể sao chép (no-cloning theorem) và tính vướng víu lượng tử (entanglement) được sử dụng để đảm bảo tính bảo mật của khóa. Các giao thức QKD như BB84 và B92 được phân loại theo biến rời rạc (Discrete Variable - DV) và biến liên tục (Continuous Variable - CV), trong đó CV-QKD sử dụng điều chế cường độ sóng mang phụ (Subcarrier Intensity Modulation - SIM) kết hợp kỹ thuật điều chế pha nhị phân (Binary Phase Shift Keying - BPSK) để mã hóa thông tin khóa.

Mô hình truyền thông quang không gian tự do (FSO) được áp dụng để truyền tín hiệu lượng tử qua không gian tự do giữa vệ tinh LEO, HAP và trạm mặt đất. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu năng hệ thống bao gồm suy hao đường truyền (Free Space Loss - FSL), nhiễu loạn khí quyển được mô hình hóa bằng phân phối log-chuẩn và Gamma-Gamma, cùng các yếu tố môi trường như sương mù, mưa, và tán xạ Mie.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mô hình lý thuyết và mô phỏng hiệu năng hệ thống QKD/FSO dựa trên vệ tinh sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp tại HAP. Cỡ mẫu nghiên cứu được xác định qua các tham số mô hình kênh truyền và các tham số kỹ thuật của hệ thống như công suất phát, độ lợi thấu kính, bước sóng hoạt động, và các thông số nhiễu loạn khí quyển.

Phương pháp phân tích bao gồm xây dựng mô hình toán học cho từng chặng truyền dẫn (vệ tinh tới HAP, HAP tới trạm mặt đất), áp dụng các mô hình suy hao và nhiễu loạn, sau đó tính toán tốc độ khóa bí mật ergodic (S) dựa trên các tham số kỹ thuật và môi trường. Quá trình nghiên cứu được thực hiện theo timeline từ năm 2019 đến 2021, với các bước: khảo sát lý thuyết, xây dựng mô hình, mô phỏng hiệu năng, phân tích kết quả và đề xuất giải pháp cải thiện.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tốc độ khóa bí mật tăng khi sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp tại HAP: Kết quả mô phỏng cho thấy tốc độ khóa bí mật ergodic (S) tăng lên đáng kể khi áp dụng kỹ thuật chuyển tiếp tại HAP, đặc biệt trong các kịch bản có sự hiện diện của bên nghe trộm (Eve). Ví dụ, trong kịch bản 1, tốc độ khóa bí mật tăng trên 20% so với hệ thống không sử dụng chuyển tiếp.

  2. Ảnh hưởng của khoảng cách và vị trí Eve: Tốc độ khóa bí mật giảm khi khoảng cách của Eve đến HAP hoặc Bob giảm, do khả năng nghe trộm tăng lên. Khi khoảng cách Eve từ HAP hoặc Bob vượt quá một ngưỡng nhất định, tốc độ khóa bí mật đạt giá trị tối ưu, đảm bảo an toàn truyền thông.

  3. Tác động của nhiễu loạn khí quyển: Mô hình nhiễu loạn Gamma-Gamma cho thấy hiệu suất hệ thống giảm khi mức độ nhiễu loạn tăng từ yếu đến mạnh, với sự giảm tốc độ khóa bí mật lên đến khoảng 15-25% trong điều kiện nhiễu loạn mạnh so với điều kiện nhiễu loạn yếu.

  4. Ưu thế của CV-QKD với SIM/BPSK: Giao thức CV-QKD sử dụng điều chế SIM kết hợp BPSK cho phép đạt tốc độ khóa bí mật cao hơn so với các giao thức DV-QKD truyền thống, đồng thời giảm chi phí và độ phức tạp thiết bị.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện hiệu năng khi sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp tại HAP là do giảm suy hao đường truyền và hạn chế ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển trên chặng truyền dẫn từ vệ tinh tới trạm mặt đất. So với các nghiên cứu trước đây chỉ tập trung vào truyền dẫn trực tiếp vệ tinh-mặt đất, việc bổ sung HAP làm nút chuyển tiếp giúp tăng khoảng cách truyền dẫn hiệu quả và cải thiện tốc độ khóa bí mật.

Kết quả cũng phù hợp với các nghiên cứu trong ngành về ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển lên hệ thống FSO, đồng thời khẳng định tính khả thi của việc ứng dụng CV-QKD trong môi trường truyền thông quang không gian tự do. Việc mô hình hóa chi tiết các tham số như công suất phát, độ lợi thấu kính, và các mô hình nhiễu loạn giúp đánh giá chính xác hiệu năng hệ thống trong các điều kiện thực tế.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ tốc độ khóa bí mật ergodic theo khoảng cách Eve và hệ số tỷ lệ DT, cũng như bảng so sánh tốc độ khóa trong các điều kiện nhiễu loạn khác nhau, giúp minh họa rõ ràng ảnh hưởng của các yếu tố môi trường và kỹ thuật.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai kỹ thuật chuyển tiếp tại HAP trong hệ thống QKD vệ tinh: Khuyến nghị các nhà phát triển hệ thống viễn thông lượng tử áp dụng kỹ thuật chuyển tiếp tại HAP để tăng tốc độ khóa bí mật và mở rộng phạm vi truyền dẫn. Thời gian thực hiện trong vòng 2-3 năm tới, phối hợp với các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp viễn thông.

  2. Tối ưu hóa thiết bị nguồn quang và máy đo photon: Đề xuất nghiên cứu và phát triển các nguồn photon đơn và máy đo photon đơn có hiệu suất cao, giảm nhiễu điện tử và tăng độ chính xác phát hiện, nhằm nâng cao độ tin cậy và bảo mật của hệ thống QKD. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu công nghệ quang học và các nhà sản xuất thiết bị.

  3. Phát triển thuật toán xử lý tín hiệu và vi xử lý: Cải tiến các thuật toán sửa lỗi, làm mịn khóa và khuếch đại khả năng bảo mật trên nền tảng FPGA hoặc các hệ thống vi xử lý tốc độ cao để giảm tỷ lệ lỗi bit lượng tử (QBER) và tăng tốc độ khóa bí mật. Thời gian triển khai 1-2 năm, do các nhóm nghiên cứu phần mềm và phần cứng đảm nhiệm.

  4. Nghiên cứu mô hình nhiễu loạn khí quyển và điều kiện môi trường: Khuyến nghị xây dựng các mô hình dự báo và điều chỉnh thông số hệ thống theo điều kiện thời tiết thực tế nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của sương mù, mưa và nhiễu loạn khí quyển. Chủ thể thực hiện là các trung tâm nghiên cứu khí tượng và viễn thông.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật viễn thông: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về QKD, FSO và kỹ thuật chuyển tiếp, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển các hệ thống truyền thông lượng tử.

  2. Chuyên gia phát triển hệ thống truyền thông lượng tử: Các kỹ sư và nhà thiết kế hệ thống có thể áp dụng các mô hình và kết quả phân tích để tối ưu hóa thiết kế và triển khai hệ thống QKD vệ tinh.

  3. Doanh nghiệp công nghệ viễn thông: Các công ty cung cấp dịch vụ viễn thông và thiết bị có thể tham khảo để phát triển sản phẩm mới, nâng cao tính bảo mật và hiệu suất mạng truyền thông.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách: Các tổ chức quản lý phổ tần số và an ninh mạng có thể sử dụng luận văn để đánh giá tiềm năng và thách thức của công nghệ QKD trong việc bảo vệ thông tin quốc gia và doanh nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Q: Phân phối khóa lượng tử (QKD) khác gì so với mã hóa truyền thống?
    A: QKD sử dụng các nguyên lý vật lý lượng tử để trao đổi khóa bí mật, đảm bảo an toàn tuyệt đối ngay cả khi có bên nghe trộm, trong khi mã hóa truyền thống dựa trên thuật toán toán học và có thể bị phá vỡ nếu khóa bị lộ hoặc thuật toán bị tấn công.

  2. Q: Tại sao sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp tại HAP lại cải thiện hiệu năng hệ thống?
    A: HAP hoạt động ở độ cao trung bình, giúp giảm suy hao đường truyền và ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển trên chặng truyền dẫn, từ đó tăng tốc độ khóa bí mật và mở rộng phạm vi truyền dẫn.

  3. Q: Mô hình nhiễu loạn khí quyển nào được sử dụng trong nghiên cứu?
    A: Luận văn sử dụng hai mô hình phổ biến là log-chuẩn và Gamma-Gamma để mô phỏng ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển lên tín hiệu quang trong hệ thống FSO.

  4. Q: Giao thức CV-QKD có ưu điểm gì so với DV-QKD?
    A: CV-QKD sử dụng biến liên tục để mã hóa thông tin, phù hợp với công nghệ truyền thông quang hiện đại, cho tốc độ khóa bí mật cao hơn và giảm chi phí thiết bị so với DV-QKD sử dụng biến rời rạc.

  5. Q: Làm thế nào để giảm tỷ lệ lỗi bit lượng tử (QBER) trong hệ thống QKD?
    A: Có thể giảm QBER bằng cách cải tiến thiết bị phát và thu photon, sử dụng thuật toán sửa lỗi hiệu quả, đồng bộ hóa chính xác và tối ưu hóa các tham số truyền dẫn như công suất và bước sóng.

Kết luận

  • Luận văn đã phân tích chi tiết hiệu năng hệ thống phân phối khóa lượng tử dựa trên vệ tinh sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp tại HAP, tập trung vào tốc độ khóa bí mật ergodic.
  • Kỹ thuật chuyển tiếp tại HAP giúp cải thiện đáng kể hiệu suất truyền dẫn, giảm ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển và tăng phạm vi truyền dẫn.
  • Giao thức CV-QKD với điều chế SIM/BPSK được chứng minh là giải pháp hiệu quả, phù hợp với các ứng dụng thực tế trong truyền thông lượng tử.
  • Các thách thức về thiết bị nguồn photon, máy đo photon và vi xử lý cần được tiếp tục nghiên cứu và cải tiến để nâng cao độ tin cậy và bảo mật hệ thống.
  • Đề xuất các giải pháp triển khai kỹ thuật chuyển tiếp, tối ưu hóa thiết bị và thuật toán, cùng nghiên cứu mô hình môi trường nhằm phát triển hệ thống QKD vệ tinh toàn cầu trong tương lai gần.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các tổ chức nghiên cứu và doanh nghiệp viễn thông phối hợp triển khai thử nghiệm thực tế kỹ thuật chuyển tiếp tại HAP, đồng thời phát triển các thiết bị và thuật toán hỗ trợ để nâng cao hiệu năng hệ thống QKD.