(Tiểu luận) đồ án môn học mạng không dây nângcao tìm hiểu truyền thông lượng tử

Truyền thông lượng tử là gì?Ngày nay, dữ liệu nhạy cảm thường được mã hóa, sau đó gửi đi thông qua cáp quang hoặc các kênh khác cùng với key chìa khóa kỹ thuật số cần thiết để giải mã

TRƯỜNG ĐẠI HỌC DUY TÂN

KHOA SAU ĐẠI HỌC

Đồ án môn học

MẠNG KHÔNG DÂY NÂNG

CAO

TÌM HIỂU TRUYỀN THÔNG LƯỢNG TỬ

Thực hiện : Võ Văn Thuận

Bùi Thanh Tú

Đà nẵng, 08/2022

Mục Lục

Truyền thông lượng tử là gì? 2

Chính xác thì Photon là gì? 2

1 Định nghĩa 2

2 Thuộc tính photon 3

3 Sự thật về photon 3

Qubit là gì? 3

1 Định nghĩa 3

2 Các trạng thái của Qubit - khả năng mang thông tin vô hạn 4

3 Trao đổi thông tin lượng tử giữa các Qubit 4

Ưu và nhược điểm 5

1 Ưu điểm 5

2 Nhược điểm 5

Ứng dụng truyền thông lượng tử: 5

Hạ tầng hiện tại truyền thông lượng tử 5

Tương lai của truyền thông lượng tử 6

Phân phối khóa lượng tử ( QKD ) là gì? 6

1 Mô tả 6

2 Phương pháp mã hóa và giải mã các photon 8

Bộ lặp lượng tử là gì? 10

1 Giới thiệu 10

2 Mô tả 10

Viễn tải lượng tử là gì? 10

1 Giới thiệu 10

2 Mô tả 10

Internet lượng tử là gì? 11

1 Giới thiệu 11

2 Mô tả 11

1

Truyền thông lượng tử là gì?

Ngày nay, dữ liệu nhạy cảm thường được mã hóa, sau đó gửi đi thông qua cáp quang hoặc các kênh khác cùng với key ( chìa khóa ) kỹ thuật số cần thiết để giải mã thông tin

Dữ liệu và các khóa được gửi dưới dạng các bit cổ điển như một dòng xung điện hoặc xung quang biểu thị và Và điều đó khiến họ dễ bị công kích Các tin tặc tinh ranh có 1 0

thể đọc và sao chép các bit trong quá trình chuyển tiếp mà không để lại bất kì dấu vết nào

Truyền thông lượng tử tận dụng các quy luật vật lý lượng tử để bảo vệ dữ liệu Các quy luật này cho phép các hạt lượng tử thường là các photon ánh sáng truyền dữ liệu dọc theo cáp quang, tạo nên trạng thái chồng chập, chúng có thể đại diện cho nhiều tổ

hợp và đồng thời Các hạt đó được gọi là bit lượng tử, hoặc Qubits.1 0

Điểm tuyệt vời của các Qubit khi nhìn từ góc độ an ninh mạng là nếu một hacker cố gắng

do thám chúng trong quá trình vận chuyển, trạng thái lượng tử siêu mảnh của chúng sẽ

“sụp đổ” xuống hoặc Hacker không thể giả mạo các Qubit mà không bỏ lại dấu hiệu 1 0

nào

Một số công ty đã tận dụng tính năng này để tạo ra các mạng truyền dữ liệu có độ nhạy cao dựa trên một quy trình được gọi là phân phối khóa lượng tử, hoặc QKD Về lý thuyết, các mạng này cực kỳ an toàn

Chính xác thì Photon là gì?

Hãy tưởng tượng một trục của ánh sáng mặt trời màu vàng chiếu qua cửa sổ Theo vật lý lượng tử, chùm tia này được tạo thành từ các mảng ánh sáng nhỏ, gọi là photon, truyền trong không khí Nhưng chính xác thì photon là gì?

1 Định nghĩa

Một photon là lượng hay lượng tử bức xạ điện từ rời rạc nhỏ nhất Nó là đơn vị cơ bản của tất cả ánh sáng

Các photon luôn chuyển động và trong chân không, truyền với tốc độ không đổi đối với tất cả các chiều quan sát là 2,998 x 108 m/s Điều này thường được gọi là tốc độ ánh sáng, được ký hiệu bằng chữ c

Theo lý thuyết lượng tử ánh sáng của Einstein, các photon có năng lượng bằng tần số dao động của chúng nhân với hằng số Planck Einstein đã chứng minh rằng ánh sáng là một dòng các photon, năng lượng của các photon này là độ cao của tần số dao động của chúng, và cường độ của ánh sáng tương ứng với số photon Về cơ bản, ông giải thích cách một dòng photon có thể hoạt động như một sóng và hạt

2

2 Thuộc tính photon

Các tính chất cơ bản của photon:

 Chúng có khối lượng và năng lượng nghỉ bằng không Chúng chỉ tồn tại dưới dạng hạt chuyển động

 Chúng là các hạt cơ bản mặc dù thiếu khối lượng nghỉ

 Chúng không có điện tích

 Chúng ổn định

 Chúng là các hạt spin-1 tạo nên chúng là boson

 Chúng mang theo năng lượng và động lượng phụ thuộc vào tần số

 Chúng có thể có tương tác với các hạt khác như electron, chẳng hạn như hiệu ứng Compton

 Chúng có thể bị phá hủy hoặc tạo ra bởi nhiều quá trình tự nhiên, ví dụ như khi bức xạ được hấp thụ hoặc phát ra

 Khi ở trong không gian trống, chúng di chuyển với tốc độ ánh sáng

3 Sự thật về photon

 Không chỉ ánh sáng được tạo thành từ các photon, mà tất cả năng lượng điện từ (tức là vi sóng, sóng vô tuyến, tia X) đều được tạo thành từ các photon

 Khái niệm ban đầu về photon được phát triển bởi Albert Einstein Tuy nhiên, chính nhà khoa học Gilbert N Lewis là người đầu tiên sử dụng từ “photon” để mô tả nó

 Lý thuyết nói rằng ánh sáng hoạt động giống như sóng và hạt được gọi là lý thuyết đối ngẫu sóng-hạt

 Các photon luôn trung hòa về điện Chúng không có điện tích

 Các photon không tự phân hủy

Qubit là gì?

1 Định nghĩa

Bit là đơn vị thông tin cơ bản trong công nghệ truyền thông tin hiện nay Mỗi bit chỉ có thể mang giá trị là 0 hay 1 dựa vào các tín hiệu điện: không hoặc có

Qubit - quantum bit cũng có một vài thuộc tính như thế nhưng nhìn chung về toàn diện thì khác Các khác biệt này giúp cho Qubit có một khả năng vượt trội

Một Qubit, hay bit lượng tử, là một đơn vị của thông tin lượng tử Thông tin đó miêu tả một hệ cơ học lượng tử có 2 trạng thái cơ bản, thường được ký hiệu |0> và |1> Một trạng thái Qubit thuần túy là chồng chập lượng tử tuyến tính của hai trạng thái cơ bản trên Điều này khác với bit của thông tin cổ điển, chỉ nhận một trong 2 giá trị 0 hoặc 1

3

4 Các trạng thái của Qubit - khả năng mang thông tin vô hạn

Các trạng thái của Qubit được xác định dựa vào 2 trạng thái cơ bản đó là |0> và |1> Như

đã nói, khác với bit cổ điển, Qubit không chỉ nhận các giá trị ứng với các trạng thái đó mà

nó còn nhận giá trị chồng chập là sự tổ hợp tuyến tính của 2 trạng thái đó:

|P> = a|0> + b|1>

Với a, b là các hằng số tỉ lệ với cường độ cửa trạng thái tổi hợp ứng với trạng thái cơ bản tương ứng

Chú ý rằng, theo điền kiện chuẩn hóa, ta có |a|2 + |b|2 = 1

Theo hệ thức đó, ta thấy rằng, không gian trạng thái tổ hợp |P> của một đơn Qubit về phương diện hình học được biểu diễn trên một mặt cầu, gọi là mặt cầu Block Đây là một không gian 2 chiều

Như vậy, về bản chất, mỗi điểm trên mặt cầu biểu diễn cho một trạng thái của Qubit Mà mặt cầu thì có vô hạn điểm, do đó, ta thấy ngay khả năng biểu diễn thông tin lượng tử lên đến vô hạn chứ không phải chỉ là 0 hoặc 1 như bit cổ điển Trong khi đó, xét theo mô hình này, bit cổ điển chỉ có thể là một điểm nằm trên cực của mặt cầu này thôi

5 Trao đổi thông tin lượng tử giữa các Qubit

Chúng ta biết, mỗi Qubit đều mang thông tin lượng tử Tuy nhiên, thông tin chỉ chứa trong nội tại thì không có giá trị gì Thông tin phải được trao đổi qua lại giữa các Qubit và một trong các lĩnh vực mới là tìm hiểu cơ chế trao đổi thông tin giữa các Qubit và cách

xử lý thông tin thu được

Sự khác biệt của Qubit so với bit cổ điển, không chỉ ở sự biến thiên giá trị liên tục thông qua chồng chập lượng tử, mà còn ở chỗ cùng một lúc nhiều Qubit có thể tồn tại và liên hệ với nhau qua hiện tượng rối lượng tử (vướng víu lượng tử) Sự vướng víu này có thể xảy

ra ở khoảng cách vĩ mô giữa các Qubit, cho phép chúng thể hiện các chồng chập cùng lúc của nhiều dãy ký tự (ví dụ chồng chập 01010 và 11111) Tính chất "song song lượng tử" này là thế mạnh cơ bản của máy tính lượng tử

4

Discover more

from:

IS 381

Document continues below

Kỹ thuật

thương mại…

Trường Đại Học…

16 documents

Go to course

Bài tập thực hành HTML

Kỹ thuật

thương mại… None

3

On Tap Trac Nghiem IS385

Kỹ thuật

thương mại… None

23

4 - las

Kỹ thuật

thương mại… None

5

3.bai tap web form -laa

Kỹ thuật

thương mại… None

5

Kinh te vi mi - laa

Kỹ thuật

thương mại… None

2

Bằng việc giải các tích phân chuyển động đối với ma trận mật độ, áp dụng các phép gần đúng, người ta đã thấy rằng sự biểu diễn trạng thái trên một Qubit tự do còn chịu ảnh hưởng của các trạng thái của Qubit khác Thành lập cụ thể các phương trình này sẽ cho ta

cơ chế truyền thông tin của các Qubit

Việc giải các phương trình này còn phải tính tới ảnh hưởng của môi trường, ảnh hưởng của một chuỗi các Qubit trong bộ nhớ lượng tử thay vì chỉ giữa 2 Qubit Đây là một quá trình khó khăn kết hợp cả sức người - "sức máy" và cũng đang là một trong những mốc khởi đầu cho các bạn trẻ bước chân vào nghiên cứu vật lý mà không cần thiết phải nghiện cứu nhiều từ các kiến thức cũ

Ưu và nhược điểm

1 Ưu điểm

 Công nghệ hiện đại

 Bảo mật hơn các kỹ thuật cũ

 Nhanh hơn kỹ thuật cũ

6 Nhược điểm

 Rào cản về kĩ thuật ( trong quá trình nghiên cứu và phát triển)

 Thiết bị và hạ tầng chưa đáp ứng được

Ứng dụng truyền thông lượng tử:

 Nổi tiếng và thú vị nhất là bảo vệ các kênh thông tin chống lại nghe lén bằng phương tiện mã hóa lượng tử(Ứng dụng mã hóa lượng tử nổi tiếng và phát triển nhất là phân phối khóa lượng tử (QKD)

 Truyền thông lượng tử giữa các thiết bị lượng tử

 Viễn tải lượng tử

 Mạng internet lượng tử ( có dây và không dây)

Hạ tầng hiện tại truyền thông lượng tử

 Bắt đầu có nhiều mạng QKD xuất hiện hơn Dài nhất là ở Trung Quốc, đường liên kết mặt đất dài 2.032 km (1.263 dặm) giữa Bắc Kinh và Thượng Hải Các ngân hàng và các công ty tài chính khác cũng đã và đang sử dụng nó để truyền dữ liệu

 Vệ tinh đầu tiên như vậy trên thế giới đã được đưa ra ở Trung Quốc Rocket Long March-2D ra mắt ngày 16 tháng Tám năm 2016, theo "thí nghiệm lượng tử trên thang điểm từ vũ trụ."

 Tại Mỹ, một dự án khởi nghiệp được gọi là Quantum Xchange đã đạt được thỏa thuận cung cấp cho họ quyền truy cập vào 500 dặm (805 km) cáp quang chạy dọc

5

De Cuong Cuoi Ki -laa

Kỹ thuật thương mại… None

21

Bờ biển phía Đông để tạo ra một mạng QKD Chặng đầu tiên sẽ liên kết Manhattan với New Jersey, nơi có nhiều ngân hàng có trung tâm dữ liệu lớn

Tương lai của truyền thông lượng tử

 Trong tương lai, thông tin sẽ được thay thế bằng thông tin lượng tử, ký hiệu là Qubit (dạng lượng tử của bit số 1 và 0) và dữ liệu sẽ được xử lý bằng máy tính lượng tử

 Một nhóm các nhà khoa học người Áo đã mã hóa những Qubit này bằng cách sử dụng tính chất của photon ánh sáng, đó là sự phân cực Tính chất này miêu tả hướng photon ánh sáng dao động

 Bước tiếp theo để đạt được viễn thông lượng tử trên toàn thế giới là sẽ thử nghiệm truyền thông những trạng thái lượng tử giữa các phần tử bằng cách sử dụng đường nối vệ tinh tạo thành mạng Internet lượng tử

 Cuối cùng, một câu hỏi được đặt ra: liệu chúng ta có thể truyền thông lượng tử con người như bộ phim khoa học viễn tưởng Star Trek không? Làm thế nào để tạo nên những bộ phận của cơ thể con người trong truyền thông lượng tử?

 Trong tương lai gần có lẽ là không, vì cơ thể con người chứa đựng quá nhiều thông tin để quét và tạo nên bản sao Để truyền thông một con người, máy phải xác định và phân tích hàng tỷ tỷ nguyên tố tạo nên cơ thể đó

 Trong khi hiện nay các nhà khoa học chỉ mới tiến hành được những bước sơ bộ để truyền thông một nguyên tử!

 Tuy nhiên, nếu có một bước đột phá nào đó trong thế giới lượng tử thì trong một tương lai xa những việc xảy ra trong bộ phim khoa học viễn tưởng Star Trek có thể trở thành hiện thực và truyền thông lượng tử sẽ biến những ước mơ hoang đường thành hiện thực

1 Mô tả

QKD liên quan đến việc gửi dữ liệu được mã hóa dưới dạng các bit cổ điển qua mạng, trong khi các khóa để giải mã thông tin được mã hóa và truyền ở trạng thái lượng tử bằng cách sử dụng Qubit

Có nhiều cách tiếp cận và giao thức khác nhau đã được phát triển để triển khai QKD Trong đó, giao thức được sử dụng rộng rãi – BB84 hoạt động như sau Hãy tưởng tượng hai người, Alice và Bob Alice muốn gửi dữ liệu một cách an toàn cho Bob Để làm như vậy, cô ấy tạo ra một khóa mã hóa ở dạng Qubit mà trạng thái phân cực của nó đại diện cho các giá trị bit riêng lẻ của khóa

Các Qubit có thể được gửi đến Bob thông qua cáp quang Bằng cách so sánh các phép đo trạng thái của một phần nhỏ trong số các Qubit này — một quá trình được gọi là “sàng lọc khóa” —Alice và Bob có thể xác định rằng họ đang giữ cùng một khóa

6

Khi các Qubit di chuyển đến đích, trạng thái lượng tử siêu mảnh của một số trong chúng

sẽ sụp đổ vì sự tách rời (decoherence) Tiếp theo, Alice và Bob sẽ chạy qua một quá trình được gọi là “chưng cất khóa”, bao gồm việc tính toán xem tỷ lệ lỗi có đủ cao để gợi ý rằng một tin tặc đã cố gắng đánh cắp khóa của họ hay không

Nếu có, họ loại bỏ khóa nghi ngờ và tiếp tục tạo khóa mới cho đến khi họ tự tin rằng mình đã chia sẻ khóa an toàn Alice sau đó có thể sử dụng khóa của cô ấy để mã hóa dữ liệu và gửi nó ở dạng bit cổ điển cho Bob – sử dụng khóa của anh ấy để giải mã thông tin QKD mô tả việc sử dụng các hiệu ứng cơ học lượng tử để thực hiện các tác vụ mã hóa hoặc phá vỡ các hệ thống mật mã Nguyên tắc hoạt động của hệ QKD khá đơn giản: hai bên (Alice và Bob) sử dụng các photon đơn lẻ được phân cực ngẫu nhiên thành các trạng thái đại diện cho các số 1 và các số 0 để truyền một chuỗi các số ngẫu nhiên được sử dụng làm khóa trong truyền thông mật mã Cả hai trạm được liên kết với nhau bằng một kênh lượng tử và một kênh cổ điển Alice tạo ra một dòng Qubit ngẫu nhiên được gửi qua kênh lượng tử Khi tiếp nhận luồng Bob và Alice - sử dụng kênh cổ điển - thực hiện các thao tác cổ điển để kiểm tra xem có tồn tại một kẻ nghe trộm đã cố gắng trích xuất thông tin trên luồng Qubit hay không Sự hiện diện của một kẻ nghe trộm được tiết lộ bởi sự tương quan không hoàn hảo giữa hai danh sách các bit thu được sau khi truyền các Qubit giữa bộ phát và bộ thu Một thành phần quan trọng của hầu hết tất cả các lược đồ mã hóa

là các số ngẫu nhiên thực sự có thể được tạo ra từ các phương tiện quang học lượng tử

7

7 Phương pháp mã hóa và giải mã các photon

Trong một thiết lập QKD điển hình, các photon được tạo ra bởi một nguồn photon đơn lẻ, được mã hóa thành các giá trị nhị phân (tức là đại diện cho "0" và "1") và sau đó được truyền tới máy thu qua cáp quang hoặc trong không gian Người nhận sau đó giải mã trạng thái của các photon và phát hiện chúng bằng cách sử dụng các đầu dò nhạy photon đơn lẻ và các thiết bị điện tử gắn thẻ theo thời gian Có một số phương pháp mã hóa và giải mã các photon:

 Thông qua phân cực: thông tin nhị phân "1" hoặc "0" được xác định bằng sự phân cực của các photon đơn lẻ, ví dụ: nhị phân "0" tương quan với photon phân cực theo chiều ngang và nhị phân "1" với photon phân cực theo chiều dọc

 Thông qua pha, yêu cầu sử dụng hệ thống giao thoa kế: chênh lệch pha Δφ = φAlice - φBob của hai giao thoa kế sau đó được sử dụng để mã hóa các giá trị nhị phân, ví dụ: chênh lệch pha Δφ = 0 tương quan với số nhị phân "0" và sai lệch pha

Δφ = π tương quan với nhị phân "1"

 Thông qua các photon bị vướng víu, đòi hỏi một người gửi các cặp photon vướng víu và hai máy thu (Alice và Bob) đều được trang bị một bộ phân cực Alice và Bob đặt hai góc tại máy quay phân cực tương ứng một cách ngẫu nhiên Nếu các

8

góc của Alice và Bob khớp nhau, cả hai photon hoạt động giống hệt nhau ở bộ tách chùm tia, tức là chúng được truyền thẳng (nhị phân "1") hoặc được phản xạ (nhị phân "0")

Bộ lặp lượng tử là gì?

1 Giới thiệu

Mặc dù QKD đã tương đối an toàn, nhưng sẽ an toàn hơn nữa nếu nó có thể dựa vào các

bộ lặp lượng tử

8 Mô tả

Vật liệu trong dây cáp có thể hấp thụ các photon, điều đó có nghĩa là chúng thường không thể di chuyển quá vài chục km Trong mạng cổ điển, các bộ lặp tại nhiều điểm khác nhau dọc theo cáp được sử dụng để khuếch đại tín hiệu nhằm bù đắp cho điều này Các mạng QKD đã đưa ra một giải pháp tương tự, tạo ra các “nút đáng tin cậy” ở nhiều điểm khác nhau Ví dụ, mạng từ Bắc Kinh đến Thượng Hải có 32 nút Tại các trạm này, các khóa lượng tử được giải mã thành các bit và sau đó được mã hóa lại ở trạng thái lượng tử mới cho hành trình của chúng đến nút tiếp theo Nhưng điều này lại khiến các nút này trở nên không thực sự đáng tin cậy: một tin tặc đã vượt qua bảo mật của các nút

có thể sao chép các bit mà không bị phát hiện và do đó có được khóa, nó giống như một công ty hoặc chính phủ đang điều hành các nút đó

9