Phần lớn tài liệu về phân phối khoá lượng tử dừng lại ở chỗ thú vị nhất: định lý không sao chép bảo đảm rằng mọi hành vi nghe lén đều để lại dấu vết. Đúng — nhưng chỉ với thiết bị lý tưởng. Trong một hệ thực, mức bảo mật không do toán học quyết định mà do đặc tính vật lý của linh kiện quang quyết định. Một bộ suy hao lệch 0,5 dB không phải là sai số đo; nó là một lỗ hổng bảo mật.
Đó là lý do đo kiểm QKD tồn tại như một chuyên ngành đo lường riêng, với tiêu chuẩn riêng. Bài viết đi qua các đại lượng phải đo ở lớp vật lý của một hệ phân phối khoá lượng tử, ngưỡng tỉ lệ lỗi quyết định hệ còn an toàn hay không, và bài toán truy xuất chuẩn khi phải đo ở mức một photon.
Vì sao đây là bài toán đo lường, không phải bài toán mật mã
Chứng minh an toàn của giao thức BB84 giả định nguồn phát ra đúng một photon mỗi xung. Không nguồn thực nào làm được điều đó. Các hệ thực dùng laser suy giảm mạnh, và số photon trong mỗi xung tuân theo phân bố Poisson: phần lớn xung không có photon nào, một số có một photon, và một tỉ lệ nhỏ có hai photon trở lên.
Chính tỉ lệ nhỏ đó là chỗ hở. Với xung nhiều photon, kẻ nghe lén có thể tách ra một photon giữ lại và để phần còn lại đi tiếp mà không gây lỗi — tấn công tách số photon. Cường độ nguồn càng cao thì tỉ lệ xung nhiều photon càng lớn, và mức bảo mật càng giảm.
Nói cách khác: tham số bảo mật của hệ chính là một đại lượng vật lý phải đo được. Đây là lý do ETSI thành lập nhóm đặc tả riêng, và tài liệu ETSI GS QKD 011 phiên bản V1.1.1 (tháng 5 năm 2016) quy định quy trình đặc trưng hoá linh kiện quang dùng trong hệ QKD, tập trung vào linh kiện quang tích cực là nguồn quang và bộ tách photon đơn. Việc soạn thảo do các viện đo lường quốc gia dẫn dắt, và tài liệu này được xem là chuẩn đo lường đầu tiên cho một công nghệ lượng tử. Tài liệu ETSI GS QKD 013 tiếp nối, đặc trưng hoá cả mô-đun phát hoàn chỉnh theo hướng hộp đen, thay vì từng linh kiện rời như QKD 011.
Ba đại lượng của nguồn photon
- Cường độ nguồn µ — số photon trung bình trên mỗi chu kỳ xung. Đây là tham số vận hành quan trọng nhất, và cũng là tham số khó đo nhất, vì lý do trình bày ở phần cuối bài.
- Phân bố số photon P(n) — xác suất một xung chứa đúng n photon. Với laser suy giảm, phân bố này là Poisson, nhưng giả định đó phải được kiểm chứng chứ không được mặc định.
- Hàm tương quan bậc hai g⁽²⁾(0) — tỉ lệ cặp photon so với một nguồn Poisson có cùng cường độ trung bình. Đại lượng này đo trực tiếp mức độ “nhiều photon” của nguồn: g⁽²⁾(0) bằng 1 với nguồn Poisson lý tưởng, và tiến về 0 với nguồn photon đơn thật.
Ngoài ba đại lượng này, tiêu chuẩn còn yêu cầu đặc trưng hoá dạng xung theo thời gian, đặc tính phổ và độ ổn định của nguồn. Lý do rất thực tế: nếu hai trạng thái phân cực được phát bởi hai laser có phổ hơi khác nhau, kẻ nghe lén có thể phân biệt chúng theo bước sóng mà không cần đo phân cực — một kênh rò rỉ nằm hoàn toàn ngoài mô hình bảo mật.
Bốn tham số của bộ tách photon đơn
Phía thu, tiêu chuẩn tập trung vào bốn đại lượng, mỗi đại lượng ảnh hưởng tới bảo mật theo một cách khác nhau:
- Hiệu suất tách — xác suất một photon tới sinh ra một sự kiện đếm. Quyết định trực tiếp cự ly tối đa và tốc độ tạo khoá.
- Tốc độ đếm tối — số sự kiện đếm khi không có ánh sáng tới. Đây là nguồn lỗi bit không phụ thuộc tín hiệu, nên ảnh hưởng của nó tăng nhanh theo cự ly: tín hiệu suy giảm theo hàm mũ còn đếm tối thì không.
- Xác suất xung sau — xác suất một sự kiện đếm kích hoạt thêm một sự kiện giả ngay sau đó. Tạo tương quan giữa các bit, làm hỏng giả định thống kê độc lập.
- Thời gian chết — khoảng thời gian sau mỗi lần đếm mà bộ tách không nhạy. Đặt trần cứng cho tốc độ đếm, và nếu không tính đến trong phân tích bảo mật thì có thể bị khai thác.
Điểm chung của bốn tham số: chúng không phải hằng số. Chúng thay đổi theo nhiệt độ, theo điện áp phân cực, theo tuổi thọ linh kiện. Một hệ QKD được nghiệm thu một lần rồi không đo lại sẽ trôi ra khỏi vùng tham số đã được chứng minh an toàn mà không ai biết.
Tỉ lệ lỗi bit lượng tử và ngưỡng quyết định
Sau khi truyền, hai bên công bố cơ sở đo đã dùng và chỉ giữ lại các bit mà hai bên chọn cơ sở tương thích — đây là khoá đã sàng. Tỉ lệ lỗi bit lượng tử QBER là số bit sai trên tổng số bit trong khoá đã sàng.
QBER là chỉ số sức khoẻ tổng hợp của toàn hệ: nó gộp cả nhiễu thiết bị, sai lệch phân cực, đếm tối của bộ tách và — về nguyên tắc — cả tác động của kẻ nghe lén. Đây chính là lý do QBER được dùng làm tiêu chí an toàn: hệ không cần biết có ai nghe lén hay không, chỉ cần biết QBER vượt ngưỡng thì huỷ khoá.
Với BB84, phân tích bảo mật tiệm cận cho thấy có thể trích xuất khoá an toàn khi tỉ lệ lỗi dưới ngưỡng Shor–Preskill khoảng 11%. Ở chiều ngược lại, giao thức chỉ được chứng minh là mất an toàn khi tỉ lệ lỗi vượt khoảng 14,64%; khoảng giữa hai con số là vùng chưa kết luận được.
Thực hành hiện đại dùng kỹ thuật trạng thái mồi: phát xen kẽ các xung có cường độ khác nhau để ước lượng riêng phần đóng góp của các xung một photon. Từ đó, công thức tốc độ khoá bí mật theo khung GLLP có dạng gộp hai số hạng — một số hạng trừ đi chi phí sửa lỗi trên toàn bộ dữ liệu, và một số hạng cộng vào phần khoá an toàn rút được từ riêng thành phần một photon, với độ lợi và tỉ lệ lỗi của thành phần đó ước lượng bằng trạng thái mồi.
Hệ quả thực hành: tốc độ khoá không phải một con số của thiết bị, mà là hàm của các tham số vật lý đo được. Cải thiện tốc độ đếm tối của bộ tách sẽ nâng tốc độ khoá; hiệu chuẩn lại cường độ nguồn cũng vậy.
Bài toán khó nhất: truy xuất chuẩn xuống mức photon đơn
Đây là phần mà một phòng hiệu chuẩn quan tâm nhất, và cũng là phần bị xem nhẹ nhất.
Cường độ nguồn µ thường ở mức 0,1 đến 0,5 photon mỗi xung. Ở tốc độ xung gigahertz, công suất quang tương ứng nằm trong vùng femtowatt tới picowatt. Không tồn tại máy đo công suất quang nào vừa đo được ở mức đó vừa có chuỗi truy xuất chuẩn tới chuẩn quốc gia.
Cách ngành giải quyết là bắc cầu: đo công suất ở mức cổ điển — nơi phép đo có truy xuất chuẩn tốt — rồi hạ xuống mức photon đơn bằng một bộ suy hao đã được hiệu chuẩn. Toàn bộ độ tin cậy của giá trị µ khi đó nằm ở hai chỗ: độ chính xác của phép đo công suất ở đầu trên, và độ chính xác của hệ số suy hao.
Ở đầu trên của cây cầu này, cảm biến công suất quang như Keysight 81634B là loại thiết bị phù hợp. Theo tài liệu sản phẩm, mô-đun này có độ nhạy công suất tới −110 dBm, bất định công suất ±2,5%, phụ thuộc phân cực dưới ±0,005 dB, thời gian lấy trung bình xuống tới 100 µs và khả năng ghi tới 20.000 mẫu.
Hai con số cuối quan trọng hơn vẻ ngoài của chúng. Phụ thuộc phân cực rất thấp là điều kiện bắt buộc khi hệ QKD mã hoá thông tin bằng chính phân cực — một cảm biến có đáp ứng khác nhau theo phân cực sẽ tạo ra sai lệch hệ thống giữa các trạng thái, và sai lệch đó không phân biệt được với rò rỉ thông tin. Khả năng ghi hàng chục nghìn mẫu với thời gian trung bình ngắn là thứ cho phép đo độ ổn định theo thời gian chứ không chỉ một giá trị tức thời.
Kỹ thuật đo ở lớp quang cho các liên kết tốc độ cao được trình bày kỹ hơn trong bài đo eye quang bằng máy hiện sóng lấy mẫu DCA.
Cây quyết định trong đo kiểm QKD: đo gì trước
- Nghiệm thu hệ mới → bắt đầu từ đặc trưng hoá nguồn: µ, phân bố số photon và g⁽²⁾(0). Không có ba con số này thì mọi phân tích bảo mật phía sau đều treo lơ lửng.
- Tốc độ khoá thấp hơn kỳ vọng → nghi bộ tách trước: hiệu suất tách và thời gian chết đặt trần cứng cho tốc độ.
- QBER cao ở cự ly xa nhưng bình thường ở cự ly gần → gần như chắc chắn là tốc độ đếm tối, vì đóng góp của nó không suy giảm theo cự ly trong khi tín hiệu thì có.
- QBER trôi theo giờ trong ngày → xét nhiệt độ: cả nguồn lẫn bộ tách đều nhạy nhiệt.
- Định kỳ → hiệu chuẩn lại bộ suy hao và cảm biến công suất, vì toàn bộ giá trị µ phụ thuộc vào chúng.
Chọn thiết bị Keysight cho lớp vật lý QKD
- 81634B — cảm biến công suất quang phụ thuộc phân cực thấp, dùng ở đầu cổ điển của chuỗi truy xuất chuẩn khi thiết lập và kiểm tra lại cường độ nguồn.
- B2912B — nguồn-đo SMU chính xác, dùng để phân cực và đo đặc tính dòng của bộ tách photon đơn, đặc biệt khi cần khảo sát tốc độ đếm tối theo điện áp phân cực và theo nhiệt độ.
- N9042B — máy phân tích tín hiệu UXA, dùng cho phần điện tử điều khiển và đồng bộ: tín hiệu kích xung, đồng hồ hệ thống và nhiễu pha của chúng, những thứ quyết định chất lượng cửa sổ thời gian ở phía thu.
Kết luận
Bảo mật của một hệ QKD không nằm trong bản mô tả giao thức mà nằm trong bộ tham số vật lý của thiết bị — và bộ tham số đó trôi theo thời gian. Vì vậy đo kiểm QKD không phải việc làm một lần lúc nghiệm thu, mà là một chương trình đo định kỳ với chuỗi truy xuất chuẩn được duy trì, đúng như mọi phép đo có hệ quả pháp lý hay an ninh khác.
Techmaster Electronics là đại lý uỷ quyền của Keysight tại Việt Nam và vận hành phòng hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025 cho thiết bị đo quang, nguồn-đo chính xác và máy phân tích tín hiệu. Cần tư vấn cấu hình đo cho hệ quang tử lượng tử hoặc lên lịch hiệu chuẩn định kỳ, xin liên hệ hotline 0908 173 345.
