I. Tổng quan về phân phối khóa lượng tử
Phân phối khóa lượng tử (QKD) là một phương pháp bảo mật thông tin dựa trên các nguyên lý của cơ học lượng tử. QKD cho phép hai bên giao tiếp (Alice và Bob) tạo ra và chia sẻ một khóa bí mật mà không bị bên thứ ba (Eve) đánh cắp. Giao thức QKD đầu tiên được đề xuất vào năm 1984 và kể từ đó, nhiều giao thức khác đã được phát triển. QKD sử dụng các tính chất lượng tử như nguyên lý bất định Heisenberg và định lý không thể sao chép để đảm bảo tính bảo mật tuyệt đối. Chương này cung cấp nền tảng về QKD, các khái niệm cơ bản và các giao thức phân phối khóa lượng tử phổ biến.
1.1 Vai trò của phân phối khóa lượng tử
Phân phối khóa lượng tử đóng vai trò quan trọng trong việc bảo mật thông tin, đặc biệt trong bối cảnh các thuật toán mã hóa truyền thống như AES có thể bị tấn công nếu khóa bị lộ. QKD giải quyết vấn đề này bằng cách sử dụng các nguyên lý lượng tử để phân phối khóa một cách an toàn. Khóa lượng tử có thể thay đổi thường xuyên, giảm thiểu rủi ro bị đánh cắp. QKD cũng đảm bảo tính bảo mật vô điều kiện, nghĩa là khóa không thể bị lấy cắp mà không bị phát hiện.
1.2 Nguyên lý hoạt động của giao thức phân phối khóa lượng tử
Giao thức QKD hoạt động dựa trên các tính chất lượng tử như photon phân cực và nguyên lý bất định Heisenberg. Alice và Bob sử dụng các cơ sở đo lường khác nhau để mã hóa và giải mã thông tin. Khi Eve cố gắng đo lường trạng thái lượng tử, cô ta sẽ làm thay đổi trạng thái đó, dẫn đến việc Alice và Bob có thể phát hiện sự can thiệp. Các giao thức QKD như BB84 và B92 là những ví dụ điển hình của việc áp dụng các nguyên lý này.
II. Mô hình kênh quang không gian tự do
Kênh quang không gian tự do (FSO) là một phương tiện truyền dẫn quan trọng trong hệ thống QKD. FSO sử dụng ánh sáng để truyền dữ liệu qua không gian tự do, thay vì sử dụng cáp quang. Hệ thống FSO có ưu điểm là chi phí thấp và dễ triển khai, nhưng cũng chịu ảnh hưởng lớn từ các yếu tố môi trường như suy hao đường truyền và nhiễu loạn khí quyển. Chương này phân tích các mô hình kênh quang không gian tự do, bao gồm kênh từ vệ tinh tới mặt đất và kênh từ vệ tinh LEO tới HAP.
2.1 Mô hình kênh quang từ vệ tinh tới mặt đất
Kênh quang từ vệ tinh tới mặt đất là một phần quan trọng trong hệ thống QKD dựa trên vệ tinh. Kênh này sử dụng ánh sáng để truyền dữ liệu từ vệ tinh đến các trạm mặt đất. Suy hao đường truyền và nhiễu loạn khí quyển là hai yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu năng của kênh. Các mô hình như Log-chuẩn và Gamma-gamma được sử dụng để mô phỏng các hiệu ứng này.
2.2 Kỹ thuật chuyển tiếp trong hệ thống QKD
Kỹ thuật chuyển tiếp được sử dụng để cải thiện hiệu năng của hệ thống QKD dựa trên vệ tinh. Trong mô hình này, tín hiệu được truyền từ vệ tinh đến HAP (High Altitude Platform) và sau đó từ HAP đến trạm mặt đất. Kỹ thuật này giúp giảm thiểu suy hao đường truyền và nhiễu loạn khí quyển, đồng thời tăng cường tính ổn định của hệ thống.
III. Phân tích hiệu năng hệ thống QKD dựa trên vệ tinh
Hệ thống QKD dựa trên vệ tinh sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp để cải thiện hiệu năng truyền dẫn. Chương này tập trung vào việc phân tích các tham số hiệu năng của hệ thống, bao gồm tốc độ khóa bí mật và tỷ lệ lỗi bit lượng tử (QBER). Các kết quả phân tích cho thấy rằng kỹ thuật chuyển tiếp giúp tăng cường hiệu năng của hệ thống, đặc biệt trong các điều kiện môi trường khắc nghiệt.
3.1 Mô hình hệ thống QKD vệ tinh mặt đất
Mô hình hệ thống QKD vệ tinh – mặt đất bao gồm các thành phần chính như vệ tinh, HAP và trạm mặt đất. Giao thức QKD được sử dụng trong mô hình này dựa trên SIM/BPSK và DT/DD. Mô hình này được thiết kế để tối ưu hóa hiệu năng truyền dẫn và giảm thiểu ảnh hưởng của các yếu tố môi trường.
3.2 Kết quả phân tích hiệu năng và bàn luận
Các kết quả phân tích cho thấy rằng kỹ thuật chuyển tiếp giúp cải thiện đáng kể tốc độ khóa bí mật và giảm tỷ lệ lỗi bit lượng tử (QBER). Điều này chứng tỏ rằng hệ thống QKD dựa trên vệ tinh có tiềm năng lớn trong việc ứng dụng thực tế, đặc biệt trong các môi trường truyền dẫn khắc nghiệt.
