Truyền thông lượng tử qua vệ tinh: Từ QKD đến bài toán thời tiết nhiệt đới
Phân phối khóa lượng tử, hay QKD, cho phép hai bên chia sẻ một khóa mã hóa mà độ an toàn được đảm bảo bởi vật lý lượng tử, chứ không chỉ dựa vào độ khó tính toán như mật mã cổ điển kiểu RSA hay ECC. Điểm yếu lớn nhất của QKD trên sợi quang mặt đất là suy hao: photon đơn lẻ bị hấp thụ và tán xạ theo hàm mũ với khoảng cách, nên QKD sợi quang trong thực tế chỉ hiệu quả trong phạm vi vài trăm km.
Vệ tinh giải quyết vấn đề này theo một cách khác hẳn. Thay vì truyền photon qua hàng trăm km sợi quang, tín hiệu đi qua chân không vũ trụ, nơi suy hao rất thấp, và chỉ chịu suy hao đáng kể ở đoạn khí quyển ngắn gần mặt đất. Đó là lý do các thí nghiệm QKD vệ tinh, như Micius của Trung Quốc, đã chứng minh khả năng phân phối khóa ở khoảng cách hàng nghìn km, điều không tưởng nếu chỉ dùng sợi quang.
Kênh quang không dây và những gì làm suy hao tín hiệu
Liên kết vệ tinh mặt đất cho QKD thường dùng Free-Space Optics (FSO), truyền photon qua không khí bằng một chùm laser hội tụ hẹp. Ba nguồn suy hao và nhiễu chính cần tính đến. Thứ nhất là suy hao khí quyển, do hấp thụ và tán xạ bởi phân tử khí, sol khí, và đặc biệt là mây; mây dày có thể làm suy hao vượt quá 20 đến 30 dB, đủ để một phiên QKD thất bại hoàn toàn. Thứ hai là nhiễu loạn khí quyển, tức biến động chiết suất không khí do chênh lệch nhiệt độ gây ra hiện tượng lấp lánh và giãn chùm tia, thường được mô hình hóa bằng phân bố Gamma-Gamma. Thứ ba là nhiễu nền, tức ánh sáng mặt trời hay ánh sáng mặt đất lọt vào bộ thu, ảnh hưởng trực tiếp đến QBER, chỉ số quyết định QKD có còn đủ an toàn để rút khóa hay không.
Bài toán riêng của vùng nhiệt đới ASEAN
Phần lớn nghiên cứu QKD vệ tinh hiện có, ở Trung Quốc hay châu Âu, được thực hiện hoặc mô phỏng ở vùng khí hậu ôn đới, nơi tỷ lệ ngày quang mây khá cao và ổn định theo mùa. Vùng nhiệt đới ASEAN, bao gồm Việt Nam, lại có đặc điểm khác hẳn: độ che phủ mây cao quanh năm, đặc biệt vào mùa mưa, tương tự thách thức mà viễn thám quang học gặp phải và tôi từng viết trong bài về viễn thám SAR; biến động mạnh giữa mùa mưa và mùa khô, ảnh hưởng trực tiếp đến cửa sổ thời gian khả dụng cho một phiên liên lạc vệ tinh; và độ ẩm cùng sol khí nhiệt đới khiến suy hao khí quyển khó ước lượng bằng các mô hình chuẩn vốn được hiệu chỉnh cho khí hậu ôn đới.
Đây chính là khoảng trống nghiên cứu mà tôi đang làm việc cùng nhóm tại PTIT, phòng thí nghiệm Quantum Technology & Applications.
Mô hình thời tiết 3 trạng thái
Thay vì mô phỏng khí quyển liên tục, vốn tốn kém tính toán và khó hiệu chỉnh với dữ liệu thực, chúng tôi hình thức hóa thời tiết kênh FSO vệ tinh thành ba trạng thái rời rạc. Trạng thái quang đãng có suy hao khí quyển thấp và nhiễu loạn nhẹ, cho SKR cao và ổn định. Trạng thái mây có suy hao trung bình đến cao, biến động theo độ dày mây, khiến SKR giảm mạnh, có khi về gần 0. Trạng thái mưa là nặng nhất, suy hao cao nhất kèm nhiễu loạn tăng, khiến SKR gần như bằng 0.
Với mỗi trạng thái, chúng tôi xác định xác suất xảy ra dựa trên dữ liệu khí hậu khu vực, cùng mức suy hao khí quyển tương ứng, rồi từ đó tính Secret Key Rate hiệu dụng, tức tốc độ sinh khóa an toàn trung bình theo thời gian, thay vì chỉ SKR tức thời trong điều kiện lý tưởng, một giả định phổ biến nhưng thiếu thực tế trong không ít nghiên cứu.
Từ mô hình đến hệ thống SIKD
Mô hình thời tiết này là đầu vào cho một pipeline mô phỏng lớn hơn: hệ thống Simultaneous Information and Key Distribution, truyền đồng thời dữ liệu cổ điển và khóa lượng tử trên cùng hạ tầng quang vệ tinh. Pipeline gồm ba bước chính: mô hình hóa kênh truyền dựa trên suy hao theo trạng thái thời tiết cộng với nhiễu loạn Gamma-Gamma, ước lượng QBER từ tỷ số tín hiệu trên nhiễu và đặc tính bộ thu, rồi phân tích hiệu năng QKD gồm SKR theo từng kịch bản và xác suất phiên liên lạc thất bại.
Kết quả bước đầu cho thấy sự khác biệt rõ rệt giữa hiệu năng mùa khô và mùa mưa tại khu vực ASEAN. Điều này gợi ý rằng các hệ thống QKD vệ tinh triển khai thực tế ở vùng nhiệt đới cần một chiến lược định tuyến thích ứng thời tiết, chọn trạm mặt đất hoặc cửa sổ thời gian có xác suất quang đãng cao hơn, thay vì giả định một kênh cố định như nhiều mô hình hiện có vẫn làm.
Tôi đang mở rộng phân tích sang so sánh nhiều trạm mặt đất khả dĩ tại Việt Nam và khu vực, đồng thời tìm hiểu cách kết hợp dữ liệu vệ tinh khí tượng thực tế, thay vì chỉ số thống kê lịch sử, để dự báo ngắn hạn cửa sổ liên lạc. Đây là một hướng giao thoa khá thú vị giữa hai lĩnh vực tôi theo đuổi song song: quan sát Trái Đất và truyền thông lượng tử.