Hacker trộm khóa lượng tử

Va li thiết bị mà các nhà nghiên cứu Singapore/Trondheim sử dụng để nghe trộm trên một đường truyền khóa lượng tử. (Ảnh: NTNU Info/Geir Mogen)

Trong khi trên nguyên tắc là không thể bẻ khóa, nhưng được biết mật mã lượng tử có nhược điểm trong thực tế. Một thiếu sót như vậy vừa được minh họa trực quan bởi các nhà vật lí ở Singapore và Na Uy. Họ có thể sao lại một khóa lượng tử bí mật mà không để lộ sự hiện diện của họ trước người gửi hoặc người nhận. Các nhà nghiên cứu hiện đang tìm cách loại bỏ lỗ hổng mà họ vừa tìm thấy đó.

Mật mã lượng tử là sự mã hóa tin nhắn, sử dụng một khóa là bí mật được nêu ra bởi nguyên lí cơ lượng tử - rằng tác dụng của phép đo ảnh hưởng đến hệ được đo. Trong một kế hoạch phổ biến, người gửi “Alice” gửi đi một khóa dưới dạng một chuỗi photon độc thân bị phân cực đến người nhận “Bob”. Alice làm phân cực từng photon một cách ngẫu nhiên bằng một bộ phân cực ngang-đứng hoặc một bộ phân cực có hai trục chéo nhau. Bob phát hiện ra từng photon cũng bằng cách chọn ngẫu nhiên một trong hai bộ phân cực khác nhau đó.

Nếu Bob chọn bộ phân cực giống như Alice, thì anh ta dứt khoát sẽ đo được sự phân cực đúng của một photon cho trước. Tuy nhiên, như nguyên lí bất định cho biết, có 50% khả năng anh ta sẽ chọn sai. Một khi anh ta đã thực hiện mọi phép đo, Bob yêu cầu Alice cho biết trên một kênh mở rằng cô ta đã dùng những bộ phân cực nào cho từng photon và anh ta chỉ giữ lại kết quả của những phép đo mà anh ta chọn được bộ phân cực đúng, và chuỗi kết quả này trở thành khóa lượng tử.

Phát giác Eve

Một kẻ nghe trộm, “Eve”, người tìm cách đo sự phân cực của những photon mà Alice gửi đi, sẽ để lộ sự hiện diện của cô ta vì, cho trước chuỗi photon đủ dài, xác suất cô ta đoán đúng chuỗi phân cực của Alice trên thực tế là bằng không. Khi cô ta thực hiện những phép đo không đúng, cô ta làm ngẫu nhiên hóa sự phân cực đó. Điều này có nghĩa là trong một số trường hợp mà Bob thực hiện phép đo đúng, anh ta thu lấy một kết quả sai. Cho nên, một lần nữa trao đổi tự do với Alice và so sánh một tập con nhỏ của khóa, Bob nhận ra có một kẻ thứ ba nếu như tập con đó có sai sót.

Christian Kurtsiefer và các đồng nghiệp tại trường Đại học quốc gia Singapore và các nhà nghiên cứu tại trường Đại học Trondheim (Na Uy) vừa tìm ra một phương pháp giấu đi sự nghe trộm của Eve bằng cách khai thác một nhược điểm trong những máy dò photon độc thân dùng trong nhiều máy nhận mật mã lượng tử có mặt trên thị trường. Phương pháo này cho Eve sử dụng một ánh sáng rực rỡ để “làm mờ mắt” bốn quang diode tuyết lở mà Bob dùng để phát hiện ra các photon ở từng trạng thái trong số bốn trạng thái phân cực khác nhau đó.

Các quang diode bị mù hóa không còn nhạy với photon độc thân nữa, mà thay vào đó chúng hành xử giống như những máy dò cổ điển sinh ra một dòng điện tỉ lệ với cường độ của ánh sáng tới và phản ứng với các xung ánh sáng vượt trên một ngưỡng cường độ nhất định nào đó. “Các máy dò sáng giống như mắt người vậy, ban đêm chúng hầu như có thể phân biệt mọi photon độc thân nhưng ban ngày thì không thể như thế vì chúng bị ngập trong ánh sáng”, phát biểu của Vadim Makarov thuộc đội Trondheim.

Alice và Bob không biết

Eve chặn dòng từng photon mà Alice gửi đi và đo chúng bằng những bộ phân cực chọn ngẫu nhiên. Với mỗi phép đo, Eve gửi đi một xung sáng rực, vượt trên ngưỡng cường độ sáng và có sự phân cực giống như photon được đo, đến máy nhận của Bob. Thao tác này loại bỏ khả năng của Bob chọn ngẫu nhiên những bộ phân cực cho từng phép đo. Thay vào đó, anh ta bị ràng buộc với chuỗi phân cực giống như cái Eve thu được. Điều này có nghĩa là khi Bob và Alice công khai so sánh tập con của khóa, họ không tìm thấy sai sót nào. Nói cách khác, Eve đã tìm ra khóa mà vẫn giấu mặt khi làm như vậy.

Kurtsiefer cùng các đồng nghiệp đã tấn công một đường truyền cáp quang 290 mét hiện có trong khu trường sở của trường Đại học quốc gia Singapore. Sử dụng thiết bị lắp vừa trong một cái va li, họ đã chặn dòng các photon độc thân truyền dọc theo sợi quang và sau đó phát đi trở lại những xung ánh sáng rực tương ứng. Trong khoảng thời gian 5 phút, họ đã chặn dòng hơn tám triệu photon và sau đó cho truyền tiếp đi những xung sáng tương ứng, với mỗi xung đơn được Bob ghi nhận trong máy dò thích hợp.

Đây không phải là thí nghiệm đầu tiên cho thấy một khóa lượng tử có thể bị sao chép lén lút. Trong ba năm trước đây, Hoi-Kwong Lo ở trường Đại học Toronto (Canada) và các đồng nghiệp đã chứng minh một số lỗ hổng trong một hệ mật mã lượng tử thương mại, trong khi hồi năm ngoái nhóm nghiên cứu của Kurtsiefer đã chỉ ra rằng những hệ thương mại có thể bị vô hiệu hóa bằng ánh sáng rực rỡ. Nhưng, theo Makarov, công trình mới nhất này là lần đầu tiên người ta đã tạo ra một kẻ nghe trộm lượng tử hoàn chỉnh và thực sự đánh cắp một khóa lượng tử. “Trước đây, chúng tôi chứng tỏ rằng những hệ mật mã lượng tử là có thể bị tấn công”, ông giải thích, “và nay chúng tôi chứng tỏ rằng khả năng bị tấn công này có thể khai thác trên thực tế”.

Tuy nhiên, Makarov tin rằng khả năng bị tấn công này có thể khắc phục được. Một giải pháp khả dĩ là đặt một nguồn photon độc thân nhỏ ngay phía trước các máy dò của Bob và bật nó hoạt động ở những khoảng thời gian ngẫu nhiên để đảm bảo rằng các máy dò có thể vẫn ghi nhận từng photon riêng lẻ. Nếu các máy dò liên tục bị trục trặc, thì người điều khiển máy sẽ nhận ra Eve.

“Toàn bộ mục đích của nghiên cứu của chúng tôi là cố gắng làm cho mật mã lượng tử an toàn hơn”, Makarov nói. “Mọi công nghệ bảo mật đều trải qua pha chứng minh này”.

Nicolas Gisin, một nhà vật lí tại trường Đại học Geneva ở Thụy Sĩ và là nhà đồng sáng lập của hãng sản xuất mật mã lượng tử ID Quantique, hoan nghênh nghiên cứu mới trên. Ông cho biết công ti của ông hiện đã phát triển những phép đo phản công để đối phó với những vụ tấn công như thế. “Phương pháp duy nhất bảo đảm thực hiện tốt mật mã lượng tử là thông qua những phép đo kiểm tra độc lập”, ông nói. “Theo ý nghĩa này, các hacker lượng tử làm một công việc rất có ích”.

Nguồn: physicsworld.com