Phòng thí nghiệm Los Alamos phát triển thành công mạng lượng tử siêu
bảo mật
Mặc dù thời đại máy tính lượng tử vẫn chưa đến nhưng các nhà nghiên cứu tại phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos, bang New Mexico đã phát triển một mạng máy tính mới, siêu bảo mật với khả năng truyền dẫn dữ liệu được mã hóa bởi vật lý lượng tử. Nhóm nghiên cứu cho biết mạng máy tính lượng tử hiện tại bao gồm một máy chủ và 3 máy khách. Chúng được vận hành liên tục tại Los Alamos từ cách đây 2,5 năm. Trong suốt một thời gian này, họ cũng đã truyền gởi thành công những thông tin khẩn cấp được sử dụng bởi các cơ quan công quyền. Mong muốn sau cùng của họ là thử nghiệm khả năng giao tiếp lượng tử ngoại tuyến trên các thiết bị di động như điện thoại thông minh và máy tính bảng.
Ý tưởng cơ bản của mạng lượng tử là hoạt động của một đối tượng đo lượng tử luôn đổi, chẳng hạn như một photon. Nếu tin tặc cố tình xem trộm một thông điệp lượng tử, hành vi này chắc chắn sẽ để lại dấu vết và người nhận có thể phát hiện được. Vì vậy, mạng lượng tử cho phép chúng ta gởi một khóa mật mã OTP (One-time Pad là thuật toán duy nhất trên lý thuyết không thể bị phá vỡ) và sau đó khóa OTP có thể được sử dụng để bảo mật thông tin được gởi đi bằng các giao tiếp truyền thống.
Một công ty có tên ID Quantique cũng đã khai thác thương mại mạng lượng tử bằng việc bán ra một hệ thống có thể dùng ngay và sản phẩm đã thu hút sự chú ý của các ngân hàng và nhiều tổ chức quan tâm đến tính bảo mật.
Tuy nhiên, những hệ thống như vậy vẫn tồn tại một hạn chế rất quan trọng. Thế hệ hiện tại của hệ thống mã hóa lượng tử là những kết nối điểm đến điểm (point-to-point) trên mội sợi cáp duy nhất. Vì vậy, chúng có thể gởi các thông điệp được bảo mật từ điểm A đến điểm B nhưng không thể định tuyến sang các điểm C, D, E hoặc F. Bởi lẽ khi định tuyến một thông điệp cũng có nghĩa là đọc một phần của thông điệp để xác định nơi nó cần được định tuyến. Hoạt động này chắc chắn sẽ tác động đến thông điệp, ít nhất là với các bộ định tuyến thông thường. Do đó, đây là một rào cản khiến Internet lượng tử vẫn chưa khả thi với công nghệ ngày nay.
Giờ đây, nhà nghiên cứu Richard Hughes cùng các cộng sự tại phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos đã tìm cách khắc phục hạn chế trên bằng một phương pháp tiếp cận khác, đó là phát triển một một mạng lượng tử dựa trên cấu trúc mạng hub (trung tâm) và spoke (chi nhánh). Tất cả các thông điệp đều được định tuyến từ mọi điểm trong mạng lưới đến một điểm khác thông qua điểm trung tâm này.
Đây không phải là lần đầu tiên cấu trúc mạng hub-spoke được thử nghiệm. Ý tưởng ở đây là các thông điệp gởi đến hub sẽ phụ thuộc vào một cấp độ bảo mật lượng tử thông thường. Nhưng một khi đã có mặt tại hub, chúng được chuyển đổi thành các bit cơ bản và sau đó có thể tái chuyển đổi thành các bit lượng tử để gởi đến điểm tiếp theo. Vì vây, chừng nào hub còn an toàn thì mạng lưới sẽ được bảo mật tối đa.
Vấn đề của phương pháp tiếp cận này là khả năng mở rộng. Khi số lượng kết nối đến hub tăng, rất khó để có thể quản lý tất cả các kết nối khả dụng giữa các điểm trong mạng lưới. Hughes và các cộng sự cho biết họ đã giải quyết vấn đề này theo một phương pháp đặc biệt: trang bị cho các nút mạng các bộ truyền dẫn lượng tử sử dụng tia laser thay vì dùng các máy dò photon đắt tiền và cồng kềnh.
Chỉ hub mới có khả năng nhận thông điệp lượng tử. Các nút mạng mặc dù có thể nhận và gởi thông điệp nhưng đây là những thông điệp cơ bản. Mỗi nút mạng vẫn được phép gởi khóa mật mã OTP đến hub và hub sẽ sử dụng để giao tiếp an toàn trên một đường dẫn kết nối thông thường. Hub sau đó sẽ tiếp tục định tuyến thông điệp này đến một nút mạng khác sử dụng mật mã OTP được thiết lập sẵn. Do đó, toàn bộ mạng lưới được bảo mật với điều kiện hub cũng được bảo mật.
Một ưu điểm lớn của hệ thống là nó đơn giản hóa công nghệ cần có để thiết lập các nút mạng. Trên thực tế, nhóm nghiên cứu đã thiết kế và chế tạo thành công các mô-đun dạng cắm vào dùng ngay (plug-and-play) với kích thước chỉ bằng một hộp diêm. Họ cho biết: "Thế hệ mô-đun tiếp theo sẽ nhỏ hơn rất nhiều lần về kích thước."
Mục tiêu sau cùng của Hughes cùng các cộng sự là tích hợp những mô-đun thu nhỏ vào mọi thiết bị được kết nối với mạng cáp quang, chẳng hạn như TV box, máy tính, v.v… để các thông điệp như tin nhắn cá nhân hay chữ ký điện tử được gởi nhận an toàn.
Với hơn 2 năm rưỡi thử nghiệm hệ thống, nhóm nghiên cứu tại Los Alamos rất tự tin vào tính hiệu quả của mạng lượng tử mà họ tạo ra. Tuy nhiên, như đã nhắc lại nhiều lần ở trên, sự tồn tại của một điểm trung tâm hay hub chính là hạn chế lớn nhất. Ngược lại, một mạng Internet lượng tử đơn thuần sẽ cho phép giao tiếp bảo mật giữa mọi điểm trong mạng lưới. Thêm nữa, phương pháp của Hughes sẽ trở nên lạc hậu khi những bộ định tuyến lượng tử được thương mại hóa. Vì vậy câu hỏi đặt ra đối với mọi nhà đầu tư là liệu họ có thể hồi vốn trước thời gian này hay không.
