Hệ thống khóa lượng tử Trung Quốc chịu được nhiễu mạnh, dùng chung cáp quang trên quãng đường 150 km

Thí nghiệm bảo mật lượng tử tiến gần hơn tới mạng viễn thông thông thường

Một nhóm nghiên cứu Trung Quốc đã chứng minh khả năng phân phối khóa lượng tử với ngưỡng chịu nhiễu 425 kilohertz, đồng thời thử nghiệm truyền tín hiệu song song với thông tin quang thông thường trên 150 km cáp quang dùng chung. Công trình giải quyết một trở ngại thực tiễn đối với mạng bảo mật lượng tử: duy trì khả năng sử dụng của các tín hiệu lượng tử mong manh khi chúng gặp những tín hiệu ánh sáng mạnh hơn nhiều do thiết bị viễn thông truyền đi.

Nhóm do viện sĩ Guo Guangcan thuộc Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc dẫn đầu, phối hợp với Phòng thí nghiệm trọng điểm cấp tỉnh Hà Nam về Thông tin lượng tử và Mật mã lượng tử, cùng Đại học Bưu chính Viễn thông Nam Kinh. Các nhà nghiên cứu tham gia gồm Han Zhengfu, Chen Wei, Yin Zhenqiang và Wang Shuang.

Bài báo trên Physical Review Letters của nhóm, được Hiệp hội Vật lý Mỹ công bố ngày 30 tháng 9 năm 2026, mô tả một hệ thống hoạt động ở tần số lặp 2,5 gigahertz. Bài báo cho biết hệ thống tạo khóa an toàn khi số lượt phát hiện nhiễu đạt 425 kilohertz, cao hơn bốn bậc độ lớn so với ngưỡng chịu nhiễu của các hệ thống hoạt động độc lập, đồng thời đạt tốc độ khóa an toàn ở mức kilobit mỗi giây khi suy hao kênh là 30 decibel.

Các kết quả này phản ánh những khía cạnh hiệu năng khác nhau. Tần số lặp cho biết hệ thống hoạt động nhanh đến đâu; số lượt nhiễu cho biết số sự kiện phát hiện không mong muốn; còn tốc độ khóa an toàn đo lượng khóa bí mật khả dụng tạo ra sau quá trình xử lý. Cần tách biệt các chỉ số này để hiểu chính xác thí nghiệm chứng minh điều gì.

Bước tiến cốt lõi là kết hợp phương pháp có tên chưng cất ưu thế với mã hóa tín hiệu tốc độ cao và các bộ dò bán dẫn nhỏ gọn. Thay vì chỉ dựa vào việc che chắn tín hiệu lượng tử khỏi nhiễu, các nhà nghiên cứu còn thay đổi cách xử lý dữ liệu khóa bị nhiễu.

Điều gì đang được bảo vệ?

Phân phối khóa lượng tử, viết tắt là QKD, cho phép hai bên thiết lập một khóa bí mật chung bằng cách sử dụng các trạng thái lượng tử. Sau đó, khóa này có thể được dùng để hỗ trợ liên lạc mã hóa. Thí nghiệm tập trung vào việc phân phối khóa, chứ không phải truyền các thông điệp thông thường ở tần số hoạt động 2,5 gigahertz của hệ thống.

Điểm hấp dẫn của phương pháp này là tính bảo mật dựa trên lý thuyết thông tin: theo các giả định của giao thức, tính bí mật không phụ thuộc vào việc kẻ tấn công có giải được một bài toán toán học khó hay không. Tín hiệu lượng tử và các bước kiểm tra trong quá trình tạo khóa cho phép những người tham gia đánh giá liệu họ có thể rút trích khóa bí mật từ các phép đo hay không.

Nghiên cứu sử dụng QKD độc lập thiết bị đo, thường được viết tắt là MDI QKD. Tính bảo mật của phương pháp này không đòi hỏi phải tin cậy thiết bị đo. Điều đó quan trọng vì trong các ứng dụng thực tế, bộ dò có thể tạo ra điểm yếu ngay cả khi giao thức lượng tử nền tảng là vững chắc.

Thuật ngữ này không có nghĩa là có thể bỏ qua hoặc mặc định an toàn mọi thành phần của mạng. Khâu chuẩn bị tín hiệu và các giả định khác của giao thức vẫn có ý nghĩa. Lợi ích cụ thể là loại bỏ yêu cầu tin cậy các thiết bị đo, đồng thời vẫn tạo được khóa bí mật trong môi trường quang học nhiều thách thức.

Vì sao ánh sáng nền là trở ngại lớn

Truyền thông lượng tử sử dụng các tín hiệu quang cực yếu. Thiết bị viễn thông thông thường truyền tín hiệu mạnh hơn nhiều; các tín hiệu này có thể tạo ra ánh sáng bổ sung thông qua hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang. Ánh sáng không mong muốn đó có thể làm phát sinh các lượt phát hiện không phản ánh thông tin lượng tử dự định truyền tải.

Vấn đề phát sinh không chỉ là kết nối bị nhiễu. Nếu dữ liệu đo có quá nhiều lỗi hoặc quá ít tương quan hữu ích, những người tham gia có thể không rút trích được khóa an toàn. Vì vậy, hệ thống vẫn có thể hoạt động về mặt quang học nhưng không tạo ra được dữ liệu bí mật khả dụng.

Liên kết không gian tự do gặp thách thức tương tự nhưng đến từ nguồn khác. Kết nối vệ tinh và các nền tảng như thiết bị bay không người lái có thể chịu tác động của ánh sáng môi trường mạnh, trong đó có ánh nắng mặt trời. Nghiên cứu nêu các môi trường này là lý do cần tăng khả năng chịu nhiễu, dù thí nghiệm truyền đồng tồn tại trên quãng đường 150 km được báo cáo sử dụng cáp quang.

Bộ lọc giúp loại bỏ ánh sáng không mong muốn nhưng có giới hạn. Bộ lọc cũng có thể loại bỏ tín hiệu hữu ích và làm thiết bị phức tạp hơn. Phương pháp của nhóm xử lý vấn đề ở cả cấp độ vật lý lẫn xử lý dữ liệu, kết hợp phát hiện nhiễu thấp với một phương pháp nhằm rút trích khóa bí mật từ các bản ghi đo có nhiều nhiễu hơn.

Chưng cất ưu thế thay đổi cách tính toán ra sao?

Chưng cất ưu thế xử lý dữ liệu khóa thô theo từng nhóm để cải thiện các mối tương quan có thể dùng cho việc tạo khóa bí mật. Dữ liệu thô là các bản ghi ban đầu được tạo ra trước khi những người tham gia hoàn tất các bước kiểm tra và xử lý cần thiết để thiết lập khóa bí mật khả dụng.

Nguyên lý của phương pháp là xử lý có chọn lọc. Thay vì xem mọi phần tử của khóa thô đều hữu ích như nhau, phương pháp này sử dụng mối liên hệ bên trong từng nhóm để giữ lại dữ liệu phù hợp hơn cho việc tạo khóa bí mật. Phương pháp không thể khiến mọi loại nhiễu đều trở nên vô hại, nhưng có thể mở rộng những điều kiện mà trong đó vẫn khôi phục được tính bí mật hữu ích.

Các nhà nghiên cứu đã xây dựng phương pháp xử lý độ dài khóa hữu hạn cho chưng cất ưu thế trong hệ thống của mình. Điều này giải quyết một khác biệt thực tiễn quan trọng: thí nghiệm thu thập lượng dữ liệu hữu hạn, trong khi các phép tính lý tưởng hóa có thể giả định tập dữ liệu lớn tùy ý. Việc đánh giá bảo mật và hiệu năng phải tính đến độ bất định thống kê của một tập dữ liệu hữu hạn.

Điểm mới được công bố là việc triển khai thực tế MDI QKD dựa trên chưng cất ưu thế, với sự hỗ trợ của phần nghiên cứu lý thuyết và phần cứng thí nghiệm này. Đây không phải tuyên bố rằng chính nghiên cứu đã phát minh ra phương pháp chưng cất ưu thế.

Phần cứng rất quan trọng vì xử lý dữ liệu không thể thay thế yêu cầu phải có phép đo khả dụng. Mã hóa song song tốc độ cao cung cấp tín hiệu lượng tử với tốc độ lớn, trong khi các bộ dò photon đơn bán dẫn nhỏ gọn hỗ trợ phát hiện nhiễu thấp mà không cần thiết bị dò cồng kềnh, tiêu tốn nhiều nguồn lực như bài báo đề cập.

Các chỉ số hiệu năng thực sự cho thấy điều gì?

Ngưỡng nhiễu 425 kilohertz của hệ thống tương ứng với 425.000 lượt nhiễu mỗi giây. Bài báo cho biết vẫn có thể tạo khóa an toàn ở mức nhiễu đó. Đây là tốc độ đếm sự kiện phát hiện, không phải thước đo công suất quang hay tốc độ mã hóa thông điệp.

Bốn bậc độ lớn tương đương hệ số 10.000. Vì vậy, phép so sánh trong nghiên cứu cho thấy khả năng chịu nhiễu tăng rất lớn so với các hệ thống hoạt động độc lập được dùng làm mốc tham chiếu. Không nên hiểu đây là tỷ lệ hiệu năng áp dụng phổ quát để so sánh với mọi hệ thống QKD hiện có.

Mức cải thiện được báo cáo về khả năng tạo khóa an toàn là hai bậc độ lớn, tương đương hệ số 100. Đây là kết quả riêng, khác với mức tăng khả năng chịu nhiễu gấp 10.000 lần. Một chỉ số phản ánh khả năng tạo khóa an toàn; chỉ số kia cho biết lượng nhiễu hệ thống có thể chịu được.

Ở mức 2,5 gigahertz, hệ thống hoạt động với 2,5 tỷ chu kỳ lặp mỗi giây. Lượng khóa an toàn đầu ra cuối cùng thấp hơn nhiều vì suy hao quang học, các sự kiện đo thành công và quá trình xử lý bảo mật quyết định lượng thông tin bí mật khả dụng còn lại. Bài báo báo cáo đầu ra ở mức kilobit mỗi giây khi suy hao là 30 decibel, nhưng phần tóm tắt không nêu tốc độ chính xác.

Suy hao 30 decibel và 150 km cáp quang dùng chung

Suy hao kênh 30 decibel nghĩa là công suất quang giảm 1.000 lần; sau mức suy hao nêu trên, công suất còn lại bằng một phần nghìn công suất đầu vào. Việc tạo khóa an toàn ở mức kilobit mỗi giây trong điều kiện này cho thấy hệ thống vẫn hoạt động dù tín hiệu suy hao đáng kể.

Trong một thử nghiệm đồng tồn tại riêng, hệ thống lượng tử được kết nối với thiết bị thông tin quang hiện có do China Unicom cung cấp. QKD và thông tin quang thông thường được truyền trên cùng một sợi quang qua quãng đường 150 km, khoảng cách có ý nghĩa đối với kết nối giữa các thành phố.

Dùng chung cáp quang là một phép thử thực tiễn vì mạng lượng tử không phải lúc nào cũng có thể dựa vào tuyến quang dành riêng hoàn toàn cho các tín hiệu lượng tử yếu. Khi đồng tồn tại, hệ thống phải tiếp xúc với thiết bị và ánh sáng mạnh hơn thường thấy trong thông tin liên lạc thông thường.

Phần tóm tắt đã công bố và các mô tả thí nghiệm xác lập ngưỡng nhiễu, tốc độ khóa ở mức suy hao nhất định và khoảng cách truyền trên cáp quang dùng chung. Tuy nhiên, chúng không xác lập rằng tải nhiễu tối đa, mốc suy hao đã nêu và truyền dẫn 150 km đều diễn ra đồng thời trong cùng một điều kiện vận hành. Xem đây là các mốc riêng biệt được báo cáo sẽ tránh phóng đại kết quả.

Ngày công bố và giới hạn của tuyên bố triển khai

Nghiên cứu được đăng trên Physical Review Letters trước một bài tường thuật sau đó về sự hợp tác và thí nghiệm cùng China Unicom. Trình tự công bố như sau:

• Ngày 30 tháng 9 năm 2026: Bài báo được đăng trên Physical Review Letters, công bố hệ thống 2,5 gigahertz, khả năng chịu nhiễu 425 kilohertz và việc tạo khóa an toàn khi suy hao đạt 30 decibel.
• Ngày 9 tháng 10 năm 2026: Một bài tường thuật tiếp theo mô tả các cơ sở tham gia và thử nghiệm truyền trên 150 km cáp quang dùng chung với thiết bị của China Unicom.

Kết hợp thiết bị dò nhỏ gọn, tốc độ hoạt động cao, khả năng chịu nhiễu nền và truyền dẫn qua cáp quang dùng chung giúp giải quyết đồng thời nhiều yêu cầu thực tiễn. Bài báo học thuật giới thiệu hệ thống như một giải pháp triển khai mạng bảo mật lượng tử với mức bảo mật cao, lượng khóa đầu ra hữu ích và khả năng chống chịu nhiễu môi trường.

Kết luận đó rộng hơn những gì cần có để chứng minh dịch vụ thương mại vận hành thường xuyên. Các chi tiết được báo cáo không nêu chi phí thiết bị, thời gian vận hành liên tục, yêu cầu bảo trì hoặc lịch triển khai mạng. Nghiên cứu cũng không xác lập đã có thử nghiệm vệ tinh hay thiết bị bay không người lái. Những môi trường này là động lực thúc đẩy công trình, nhưng kết quả cụ thể về đồng tồn tại mạng được thực hiện trên cáp quang.

Ý nghĩa đối với truyền thông lượng tử thực tiễn

Mối liên hệ đáng chú ý nhất giữa các kết quả là khả năng chịu nhiễu và tương thích với hạ tầng hiện có được giải quyết trong cùng một chương trình nghiên cứu. Một hệ thống tốc độ cao chỉ hoạt động trong môi trường biệt lập giải quyết vấn đề khác với hệ thống có thể dùng chung cáp quang với thiết bị liên lạc thông thường.

Nghiên cứu cũng cho thấy chỉ nhìn vào tần số hoạt động là chưa đủ để đánh giá tiến bộ. Giá trị thực tiễn phụ thuộc vào việc tốc độ đó có thể tạo ra khóa an toàn sau khi tính đến suy hao, các lượt phát hiện không mong muốn và xử lý dữ liệu hữu hạn hay không. Phương pháp chưng cất ưu thế giúp kết nối hoạt động tốc độ cao của phần cứng với đầu ra hữu ích trong điều kiện nhiễu.

Thử nghiệm 150 km đưa ra một ví dụ cụ thể về nơi những tiến bộ này có thể phát huy tác dụng: liên lạc giữa các thành phố bằng hạ tầng quang dùng chung. Để đánh giá thêm mức độ sẵn sàng triển khai, cần có các chi tiết vận hành chưa được nêu trong những kết quả này, bao gồm hiệu năng duy trì ổn định và chi phí. Không có thời hạn triển khai hay ngày thử nghiệm tiếp theo được công bố.

Điểm chính

• Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc cùng các đối tác đã chứng minh MDI QKD sử dụng chưng cất ưu thế và bộ dò bán dẫn nhỏ gọn.
• Hệ thống hoạt động ở mức 2,5 gigahertz và tạo khóa an toàn khi số lượt nhiễu đạt 425 kilohertz.
• Khả năng chịu nhiễu được báo cáo tăng bốn bậc độ lớn, tương đương hệ số 10.000 so với các hệ thống tham chiếu được nêu.
• Bài báo báo cáo tốc độ khóa an toàn ở mức kilobit mỗi giây khi suy hao kênh đạt 30 decibel.
• Một thử nghiệm riêng sử dụng thiết bị thông tin quang của China Unicom để truyền trên 150 km cáp quang dùng chung.
• Kết quả không xác lập hoạt động thương mại thường xuyên, thời gian biểu triển khai hay liên kết vệ tinh đã được thử nghiệm.