Trong bối cảnh các mối đe dọa an ninh mạng ngày càng gia tăng, mật mã lượng tử (QKD) nổi lên như một giải pháp đầy hứa hẹn cho việc truyền thông tin an toàn, sử dụng các photon đơn lẻ để thiết lập khóa mã hóa mạnh mẽ. Một nhóm các nhà khoa học tại Khoa Vật lý, Đại học Warsaw, đã thành công trong việc phát triển và thử nghiệm một hệ thống QKD mới, hoạt động hiệu quả trong cơ sở hạ tầng đô thị.
Nghiên cứu này tập trung vào việc phân phối khóa lượng tử, một công nghệ sử dụng các photon đơn lẻ để tạo ra một khóa mật mã an toàn giữa hai bên. Thay vì chỉ sử dụng qubit, các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quang học Lượng tử của Đại học Warsaw đang khám phá các trạng thái lượng tử phức tạp hơn, có thể biểu diễn nhiều giá trị, vượt ra ngoài kết quả nhị phân của qubit. Cụ thể, họ tập trung vào các chồng chập thời gian (time-bin superpositions) của photon, nơi một photon tồn tại đồng thời ở nhiều trạng thái sớm và muộn. Thời điểm phát hiện một photon đơn lẻ trong trạng thái chồng chập như vậy sẽ tạo ra một kết quả ngẫu nhiên, mã hóa thông tin vào pha của sóng ánh sáng.
Nguồn cảm hứng cho phương pháp mới này đến từ hiệu ứng Talbot, một hiện tượng quang học cổ điển mô tả việc ánh sáng đi qua một cách tử nhiễu xạ tái xuất hiện tại các khoảng cách đều đặn. Hiệu ứng này cũng xảy ra trong miền thời gian khi một loạt các xung ánh sáng lan truyền qua một môi trường phân tán như sợi quang. Sự tương tự giữa không gian và thời gian cho phép áp dụng hiệu ứng Talbot cho các photon đơn lẻ, mở ra những cách thức mới để phân tích và xử lý các trạng thái lượng tử. Các nhà khoa học đã công bố kết quả nghiên cứu đột phá này trên các tạp chí uy tín như Physical Review Applied.
Đội ngũ nghiên cứu của Đại học Warsaw đã thiết kế một hệ thống QKD bốn chiều thử nghiệm bằng cách sử dụng các thành phần thương mại sẵn có. Một cải tiến quan trọng là khả năng phát hiện các chồng chập của nhiều xung chỉ bằng một bộ tách sóng photon duy nhất, loại bỏ nhu cầu về các mạng lưới giao thoa kế phức tạp, giúp giảm đáng kể cả độ phức tạp và chi phí của hệ thống đo lường. Phương pháp mới này cũng khắc phục được sự cần thiết phải hiệu chuẩn riêng biệt và tốn thời gian cho bộ thu, vốn là một nhược điểm của các phương pháp truyền thống. Mặc dù phương pháp này có tỷ lệ lỗi đo lường tương đối cao, nhưng điều này không cản trở QKD vì các lỗi này có thể được quản lý trong quá trình thiết lập khóa. Một ưu điểm đáng kể khác là khả năng phát hiện cả các chồng chập 2D và 4D mà không cần thay đổi phần cứng hoặc ổn định bộ thu.
Bảo mật của hệ thống đã được kiểm tra trong các sợi quang học trong phòng thí nghiệm và cơ sở hạ tầng sợi quang của Đại học Warsaw trên quãng đường vài km. Các nhà nghiên cứu đã chứng minh thành công QKD với mã hóa hai và bốn chiều bằng cùng một bộ phát và bộ thu, xác nhận hiệu quả thông tin cao hơn của mã hóa đa chiều. Bảo mật lý thuyết của QKD là một lợi thế lớn, có thể chứng minh dưới các giả định cơ bản. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu đã xác định được một lỗ hổng bảo mật tiềm ẩn trong các mô tả tiêu chuẩn của nhiều giao thức QKD. Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu đã hợp tác với các nhóm nghiên cứu quốc tế Ý và Đức chuyên về chứng minh bảo mật QKD và phát triển một sửa đổi cho bộ thu để thu thập nhiều dữ liệu hơn, từ đó loại bỏ lỗ hổng bảo mật.
Bằng cách này, các nhà khoa học tại Đại học Warsaw không chỉ tiên phong trong việc phát triển một hệ thống QKD hiệu quả và có thể mở rộng hơn mà còn đóng góp vào việc củng cố các bằng chứng bảo mật cho công nghệ quan trọng này. Sự phát triển này đánh dấu một bước tiến quan trọng hướng tới việc triển khai thực tế mật mã lượng tử, có khả năng tăng cường bảo mật truyền dữ liệu trong môi trường đô thị.