Mã hóa lượng tử (Quantum Encryption): Cơ chế phân phối khóa QKD

Mã hóa lượng tử, theo nghĩa phổ biến nhất, là phân phối khóa lượng tử (Quantum Key Distribution, QKD): hai bên dùng các hạt ánh sáng đơn lẻ (photon) để tạo ra một khóa bí mật chung, và bất kỳ ai cố đo lén photon trên đường truyền đều chắc chắn để lại dấu vết. Độ an toàn của QKD dựa trên định luật cơ học lượng tử thay vì độ khó của một bài toán. Khóa tạo ra sau đó được dùng với thuật toán mã hóa thông thường để bảo vệ dữ liệu. Bài viết này đi vào cơ chế vật lý, giao thức BB84 và tình trạng triển khai thực tế của công nghệ này.

Vì sao cần một cách phân phối khóa khác

Mọi hệ mã hóa đối xứng như AES đều cần hai bên có cùng khóa. Ngày nay, việc chia sẻ khóa qua Internet dựa vào mật mã khóa công khai như RSA hay Diffie-Hellman, mà độ an toàn phụ thuộc vào giả định một số bài toán toán học là khó. Máy tính lượng tử đủ mạnh có thể phá các giả định này. QKD đề xuất con đường khác: dùng vật lý để đảm bảo không ai sao chép được khóa mà không bị phát hiện.

Phân tích về các nguy cơ và lộ trình chuyển đổi chung có trong bài mã hóa lượng tử có phải tương lai của bảo mật. Ở đây ta tập trung vào cách QKD hoạt động.

Ba nguyên lý vật lý làm nên QKD

Phép đo làm thay đổi trạng thái

Trong thế giới lượng tử, đo một hệ thường làm nhiễu loạn hệ đó. Nếu kẻ nghe lén đo photon, trạng thái photon có thể thay đổi, và hai bên hợp pháp phát hiện được qua tỷ lệ lỗi tăng lên.

Định lý không thể sao chép

Không thể tạo bản sao hoàn hảo của một trạng thái lượng tử chưa biết. Kẻ nghe lén không thể sao chép photon, giữ một bản để đo và gửi bản gốc đi tiếp mà không để lại dấu vết.

Cơ sở đo không tương thích

Phân cực của photon có thể được mã hóa theo nhiều "cơ sở", ví dụ thẳng (ngang/dọc) và chéo (45 độ/135 độ). Đo bằng sai cơ sở cho kết quả ngẫu nhiên. Đây là chìa khóa của giao thức BB84.

Giao thức BB84 từng bước

BB84 do Charles Bennett và Gilles Brassard công bố năm 1984, là giao thức QKD đầu tiên và vẫn được dùng rộng rãi. Gọi hai bên là An (gửi) và Bình (nhận):

1. Gửi photon: An tạo chuỗi bit ngẫu nhiên. Với mỗi bit, An chọn ngẫu nhiên một trong hai cơ sở và gửi photon phân cực tương ứng qua kênh lượng tử, thường là cáp quang.
2. Đo photon: Bình chọn ngẫu nhiên cơ sở để đo mỗi photon, ghi lại kết quả.
3. So khớp cơ sở (sifting): qua một kênh thông thường đã được xác thực, hai bên công bố cơ sở đã dùng, không công bố kết quả. Họ giữ lại các bit dùng cùng cơ sở, khoảng một nửa.
4. Ước lượng lỗi: họ công khai so sánh một phần nhỏ bit đã giữ. Nếu tỷ lệ lỗi vượt ngưỡng, có thể có người nghe lén, phiên bị hủy.
5. Sửa lỗi: các bit còn lại được đối chiếu bằng giao thức sửa lỗi để hai bên có chuỗi giống hệt nhau.
6. Khuếch đại bí mật: dùng hàm băm đặc biệt để rút gọn chuỗi, loại bỏ phần thông tin mà kẻ nghe lén có thể đã biết. Kết quả là khóa bí mật cuối cùng.

Lưu ý bước 3 cần kênh được xác thực. QKD vì vậy không loại bỏ hoàn toàn nhu cầu mật mã cổ điển: hai bên vẫn phải xác thực nhau, thường bằng khóa chia sẻ trước hoặc chữ ký số.

Các họ giao thức khác

Khóa từ QKD được dùng thế nào

Khóa tạo ra có thể dùng làm khóa cho AES, thứ vẫn được xem là an toàn trước máy tính lượng tử khi dùng khóa 256 bit (xem thêm bài so sánh thuật toán AES-256 và ChaCha20). Về lý thuyết, nếu tốc độ tạo khóa đủ cao, có thể dùng khóa với mật mã sổ dùng một lần (one-time pad) để đạt bí mật tuyệt đối, nhưng trên thực tế tốc độ tạo khóa thường không đủ cho lưu lượng lớn.

Thách thức kỹ thuật

• Suy hao trên cáp quang: photon đơn lẻ bị hấp thụ dần, khoảng cách liên kết trực tiếp bị giới hạn, thường cỡ vài trăm km trong điều kiện thử nghiệm và ngắn hơn trong mạng thực.
• Không khuếch đại được: bộ khuếch đại quang thông thường phá vỡ trạng thái lượng tử. Mạng dài phải dùng nút trung gian tin cậy, tức là nơi khóa tồn tại ở dạng rõ, hoặc chờ công nghệ bộ lặp lượng tử còn đang nghiên cứu.
• Lỗ hổng thiết bị: các nhà nghiên cứu từng chứng minh tấn công vào bộ dò photon thật bằng cách chiếu sáng mạnh. An toàn lý thuyết khác với an toàn của thiết bị cụ thể.
• Chi phí và tích hợp: thiết bị đắt, cần hạ tầng riêng, khó đưa tới thiết bị đầu cuối như điện thoại.

Triển khai thực tế

QKD đã ra khỏi phòng thí nghiệm ở mức độ nhất định. Đã có các mạng cáp quang QKD liên thành phố, các thí nghiệm QKD qua vệ tinh, đáng chú ý là vệ tinh Micius của Trung Quốc từng thực hiện phân phối khóa giữa các trạm mặt đất cách xa nhau. Một số ngân hàng, cơ quan chính phủ và nhà mạng đã thử nghiệm QKD cho liên kết giữa các trung tâm dữ liệu. Các tổ chức tiêu chuẩn như ETSI và ITU cũng đang xây dựng tiêu chuẩn cho thiết bị và mạng QKD.

Song song, Internet đại chúng đang đi theo hướng mật mã hậu lượng tử, vì nó chỉ cần cập nhật phần mềm. Bạn có thể thấy sự thay đổi này trong chính giao thức TLS mà trình duyệt dùng hằng ngày.

Tóm lại

QKD là ứng dụng đẹp của vật lý lượng tử vào bảo mật, cho phép phát hiện nghe lén một cách có cơ sở vật lý. Nhưng nó chỉ giải quyết khâu phân phối khóa, cần hạ tầng chuyên dụng và vẫn phụ thuộc vào xác thực cổ điển. Hiểu đúng điều này giúp đánh giá tỉnh táo những lời quảng cáo về "bảo mật lượng tử tuyệt đối".