Nhà khoa học ở Singapore: Vệ tinh lượng tử đầu tiên thế giới của Trung Quốc không còn bất khả xâm phạm

Alexander Miller (nhà nghiên cứu từng làm việc tại Nga, hiện công tác ở Singapore) cảnh báo rằng vệ tinh lượng tử Micius của Trung Quốc có thể bị hack, do độ trễ cực nhỏ giữa các tia laser trên vệ tinh có khả năng bị kẻ nghe lén khai thác để thực hiện một cuộc tấn công

Độ trễ rất nhỏ giữa các tia laser ở đây đề cập đến việc các tia laser trên vệ tinh không phát ra đồng thời một cách hoàn hảo, mà có một khoảng thời gian cực kỳ ngắn chênh lệch nhau. Dù sự chênh lệch này cực kỳ nhỏ (chỉ vài phần nghìn tỉ giây), nhưng trong các hệ thống truyền thông lượng tử đòi hỏi độ chính xác cực cao, việc không đồng bộ này có thể gây ra lỗ hổng bảo mật.

Giả sử có 3 tia laser A, B và C. Trong lý thuyết, cả 3 đều phải phát tín hiệu đồng thời. Song trên thực tế, tia A phát trước tia B khoảng 100 picô giây (1 picô giây = 1 phần nghìn tỉ giây) và tia B lại phát trước tia C một chút nữa. Sự không đồng đều này gọi là độ trễ giữa các tia laser.

Những độ trễ nhỏ này có thể tạo ra “nhiều cơ hội” để hack Micius, vệ tinh lượng tử đầu tiên trên thế giới, vốn đóng vai trò then chốt trong việc mở rộng mạng lưới truyền thông lượng tử của Trung Quốc.

Truyền thông lượng tử là hình thức truyền thông tin dựa trên mật mã học dùng vật lý lượng tử để mã hóa dữ liệu vào các hạt ánh sáng đơn lẻ gọi là photon.

Phân phối khóa lượng tử (QKD) là phương pháp truyền tải, trong đó hai bên trao đổi các khóa bí mật để giải mã thông tin, khiến việc nghe lén trở nên khó khăn và về lý thuyết là không thể hack được.

“Tuy nhiên, ai cũng biết rằng các thiết bị phân phối khóa lượng tử thực tế có thể dễ bị tổn thương trước nhiều loại tấn công qua kênh phụ, vốn lợi dụng các lỗ hổng trong quá trình triển khai thí nghiệm”, Alexander Miller cho biết trong một bài báo chưa được bình duyệt.

Sau khi phân tích dữ liệu thu được trong quá trình truyền thông giữa trạm mặt đất và Micius, Alexander Miller phát hiện các độ trễ thời gian giữa các tia laser ở thiết bị phát lượng tử trên vệ tinh. Điều này cho thấy “việc phân phối khóa lượng tử từ Micius là không an toàn”.

Bài báo của Alexander Miller được đăng dưới dạng bản thảo trên kho truy cập mở arXiv, nghĩa là chưa được đánh giá bởi các chuyên gia trong lĩnh vực.

Theo bài báo, Alexander Miller đang làm việc tại Khoa Vật lý thuộc Đại học Quốc gia Singapore (NUS).

Trang hồ sơ nghiên cứu trực tuyến của Alexander Miller cho thấy ông từng làm việc tại công ty lượng tử QSpace Technologies (nhà cung cấp dữ liệu cho phân tích trong bài báo) ở Moscow, thủ đô Nga và Trung tâm Công nghệ Lượng tử Moscow.

Tờ SCMP đã liên hệ với QSpace Technologies, nhưng công ty này từ chối bình luận. SCMP cũng liên hệ với Đại học Quốc gia Singapore nhưng không nhận được phản hồi.

Micius được phóng vào năm 2016 nhằm mục đích tạo điều kiện thuận lợi cho việc phân phối các khóa bí mật lượng tử dựa trên vướng víu lượng tử giữa hai địa điểm trên Trái đất - Ảnh: Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc

“Làm tổn hại đến tính bảo mật tuyệt đối”

Micius, còn gọi là Mozi, được phóng lên năm 2016 với vai trò là vệ tinh lượng tử đầu tiên trên quỹ đạo. Nó sử dụng giao thức decoy-state BB84, một trong những phương pháp phân phối khóa lượng tử được triển khai rộng rãi nhất.

Ở giao thức decoy-state BB84, trước khi người gửi (Alice) gửi một chuỗi các số 0 và 1 được mã hóa trong photon đến người nhận (Bob), cô ấy sẽ thiết lập định hướng của chúng.

Khi nhận được, Bob đoán xem nên sử dụng cơ sở hay công cụ nào để đo các photon. Sau đó, Alice và Bob chia sẻ các công cụ mà họ đã dùng để đo hướng của từng photon qua một kênh công khai, nhưng không chia sẻ đó là số 0 hay 1. Nếu cả hai sử dụng cùng một công cụ, họ sẽ giữ lại các photon và thiết lập một khóa bí mật.

Nếu Alice có thể gửi các photon đơn lẻ được cách ly hoàn hảo, quá trình này sẽ ngăn cản được việc nghe lén, bởi bất kỳ ai cố đo photon trước khi đến tay Bob đều có thể sử dụng sai công cụ và làm sai lệch sự phân cực của photon. Hành vi này sẽ dẫn đến tỷ lệ lỗi cao hơn, cảnh báo họ rằng có kẻ nghe trộm.

Hệ thống phân phối khóa lượng tử thực tế sử dụng các nguồn laser yếu để đảm bảo an toàn, tuy nhiên chúng có thể tạo ra các trạng thái đa photon. Điều này đồng nghĩa kẻ nghe trộm (Eve) có thể tách các thành phần này và giữ lại một photon trước khi gửi phần còn lại cho Bob mà không bị phát hiện.

Để khắc phục vấn đề này, giao thức decoy-state BB84 đã được phát triển, trong đó Alice sử dụng các mức cường độ ngẫu nhiên cho cả tín hiệu chính và tín hiệu mồi nhử, điều mà Eve không thể phân biệt được.

Khi Alice và Bob so sánh kết quả, họ có thể giám sát các trạng thái mồi nhử và tỷ lệ lỗi để xem có sự hiện diện của Eve hay không.

Dù về lý thuyết, phương pháp này có thể ngăn chặn việc nghe lén, nhưng trong thực tế thì vẫn có thể bị khai thác thông qua các lỗ hổng trong quá trình triển khai.

Micius có nhiều tia laser khác nhau được sử dụng để gửi các xung tín hiệu. Các tia laser có thể khác nhau về sự phân bố không gian, quang phổ và thời gian, nghĩa là trạng thái lượng tử mà chúng truyền đi “có thể bị phân biệt”, Alexander Miller nói.

Khả năng phân biệt giữa các photon “làm tổn hại đến tính bảo mật tuyệt đối” của phân phối khóa lượng tử.

Một liên kết vệ tinh với Trái đất được thiết lập giữa Micius và trạm mặt đất truyền thông lượng tử ở tỉnh Hà Bắc, Trung Quốc - Ảnh: Tân Hoa Xã

Alexander Miller đã phân tích dữ liệu thực nghiệm thu được từ tháng 10.2021 đến tháng 3.2022 trong các phiên truyền thông giữa vệ tinh và trạm mặt đất tại Đài quan sát Zvenigorod ở Nga.

“Độ trễ thời gian tương đối giữa tất cả điốt laser trên vệ tinh trong suốt các thí nghiệm đó đã được phát hiện”, ông viết.

Điốt laser là một loại thiết bị bán dẫn có cấu tạo tương tự điốt phát quang, nhưng có khả năng tạo ra ánh sáng laser.

Trong quá trình phân tích, Alexander Miller phát hiện rằng độ trễ điển hình vượt quá 100 picô giây và độ trễ lớn nhất được ghi nhận lên tới 300 picô giây.

“Với sự không đồng bộ về thời gian như vậy, một kẻ tấn công sử dụng thiết bị hoàn hảo nhất có thể, miễn là không vi phạm các định luật vật lý, đã được chứng minh là có khả năng phân biệt các trạng thái mồi nhử với trạng thái tín hiệu trong ít nhất 98,7% trường hợp”, theo bài báo.

Sơn Vân