Chip lượng tử tạo số ngẫu nhiên biết tự kiểm tra phần cứng

Mô phỏng chip lượng tử tích hợp các thành phần quang học quan trọng để tự kiểm tra quá trình tạo số ngẫu nhiên. Ảnh: NUS

Có nên bỏ niềm tin "tuyệt đối" vào phần cứng

Con chip lượng tử tạo số ngẫu nhiên mà các nhà khoa học tại Đại học Quốc gia Singapore vừa công bố đặt ra một câu hỏi tưởng nhỏ mà hệ trọng cho cả ngành an ninh mạng, rằng người dùng có nên tin tuyệt đối vào những linh kiện đang chạy bên trong máy hay không.

Số ngẫu nhiên giữ vai trò xương sống cho khóa mã hóa, giao dịch an toàn, chữ ký số và hàng loạt ứng dụng bảo mật khác, nên chỉ cần dãy số ấy trở nên dễ đoán thì mọi lớp phòng vệ phía sau đều lung lay. Theo nhóm nghiên cứu do Phó giáo sư Charles Lim dẫn dắt, hướng đi này có thể siết chặt an toàn cho nhiều lĩnh vực, từ tài chính, y tế cho tới trí tuệ nhân tạo và các thiết bị kết nối.

Các bộ tạo số ngẫu nhiên hiện có, kể cả phiên bản lượng tử, đều buộc người dùng tin rằng linh kiện phần cứng vẫn hoạt động đúng thiết kế suốt vòng đời, và chính niềm tin đó trở thành điểm yếu mà công trình lần này muốn xóa bỏ.

Khi một bộ phận xuống cấp theo thời gian hoặc bị kẻ xấu can thiệp, đầu ra có thể trở nên dễ đoán mà không ai hay biết, để rồi hệ thống vẫn ngỡ mình kín kẽ. Phần lớn bộ tạo số ngẫu nhiên lượng tử vận hành theo mô hình thiết bị đáng tin, tức là mặc định các linh kiện như laser, bộ điều biến và đầu dò luôn khớp thông số kỹ thuật suốt thời gian dùng.

Con chip mới đi theo hướng khác khi áp dụng giao thức không phụ thuộc thiết bị đo, nhờ vậy người dùng chỉ cần tin vào tín hiệu ánh sáng lượng tử đi vào hệ thống thay vì tin vào chiếc đầu dò làm nhiệm vụ đo đạc. Trong lúc chạy, chip tự sinh ra những trạng thái ánh sáng lượng tử đã biết trước rồi đối chiếu phản hồi của đầu dò với dự đoán của lý thuyết lượng tử, hễ kết quả khớp thì dữ liệu được chuyển thành số ngẫu nhiên đã chứng thực, còn khi lệch thì quá trình tự động dừng.

Phó giáo sư Charles Lim, công tác tại Khoa Kỹ thuật Điện và Máy tính của Đại học Quốc gia Singapore, cho biết bộ phận đo trong các bộ tạo số ngẫu nhiên lượng tử xưa nay rất khó mô tả đặc tính khiến độ tin cậy thực tế khó được bảo chứng, và giải pháp lần này loại bỏ chính nhu cầu phải tin bộ phận ấy vận hành đúng như công bố.

Chip chạy ngay ở nhiệt độ phòng

Thiết bị gói cả bộ mã hóa tín hiệu lẫn đầu dò quang học lên cùng một con chip silic, chế tạo trên dây chuyền tấm bán dẫn 8 inch vốn đã quen thuộc trong ngành sản xuất linh kiện. Khác với nhiều công nghệ lượng tử đòi hỏi làm lạnh sâu, chip này hoạt động ngay ở nhiệt độ phòng và không cần hệ thống làm lạnh siêu thấp, nên đường đến sản phẩm thương mại ngắn lại trông thấy.

Nhóm nghiên cứu còn hóa giải một trở ngại nằm ở bộ điều biến ánh sáng bằng silic, bởi khi chỉnh pha của ánh sáng thì độ sáng cũng vô tình đổi theo và điều đó có thể đe dọa độ an toàn. Họ xây dựng một phương pháp điều khiển bù trừ được hiệu ứng này nhằm giữ cho tín hiệu quang luôn ổn định suốt quá trình tạo số.

Chậm mà chắc, đánh đổi tốc độ lấy an toàn

Đầu dò của con chip đạt hiệu suất tổng 69,1%, vượt qua ngưỡng tối thiểu 67% mà giao thức đặt ra, còn các phép thử cho thấy hệ thống tạo ra nhiều bit ngẫu nhiên đã chứng thực hơn số bit mầm mà nó nạp vào, qua đó khẳng định nó thật sự sinh ra tính ngẫu nhiên mới. Nhóm tác giả gọi đây là chip tạo số ngẫu nhiên lượng tử an toàn nhất từng được trình diễn cho tới nay, bởi phần phân tích bảo mật giả định cả tình huống tệ nhất khi kẻ tấn công nắm trong tay những mối tương quan lượng tử với chính chiếc đầu dò.

Mức an toàn đó đi kèm cái giá phải trả về tốc độ, khi hệ thống thí nghiệm hiện thời chỉ tạo ra 64 bit mỗi giây, chậm hơn rất nhiều so với các bộ tạo số ngẫu nhiên lượng tử thông thường vốn có thể vượt mốc 100 gigabit mỗi giây. Nhóm nghiên cứu tin rằng hiệu năng còn nhiều dư địa cải thiện nhờ công nghệ đầu dò tốt hơn, dẫn chứng là các điốt quang phòng thí nghiệm do chính họ chế tạo đã chạm mức hiệu suất 92,4%, trong khi mô phỏng gợi ý các phiên bản chip tương lai có thể đạt tốc độ 68 megabit mỗi giây.

Phó giáo sư Lim nói thêm rằng con chip mở đường cho việc đưa các bộ tạo số ngẫu nhiên lượng tử tự kiểm tra mang tính thực dụng vào những hệ thống gọn nhẹ và an toàn, còn toàn bộ nghiên cứu đã được đăng trên tạp chí PRX Quantum. Đánh đổi tốc độ để loại bỏ điểm tựa mong manh nhất là niềm tin vào phần cứng, lựa chọn này tỏ ra hợp lý với những lĩnh vực mà một con số đoán được cũng đủ gây họa lớn.