Nhà khoa học máy tính Gilles Brassard (bên trái) và nhà vật lý Charles Bennett chụp ảnh cùng với tấm chăn nhỏ mô phỏng mật mã lượng tử, được thiết kế để thể hiện cách thức hoạt động của giao thức BB84, tại Mathemalchemy thuộc Đại học Quebec ở Montreal vào năm 2024. Ảnh: Lise Raymond

Nhiều năm trước khi có email, ngân hàng trực tuyến, máy chủ đám mây và ví tiền điện tử, hai nhà khoa học đã nghĩ ra một cách để giữ bí mật một cách hoàn toàn an toàn và không thể giải mã được đối với những kẻ nghe lén.

Công trình nghiên cứu năm 1984 của họ dựa trên thế giới ẩn giấu, phản trực giác của vật lý lượng tử, chi phối cách thức vận hành của thế giới ở quy mô nhỏ nhất, dưới nguyên tử, chứ không phải các mã toán học phức tạp nhưng về mặt lý thuyết có thể phá vỡ để bảo mật dữ liệu.

Những hiểu biết sâu sắc của Charles Bennett, một nhà vật lý người Mỹ kiêm nghiên cứu viên tại IBM Research, và Gilles Brassard, một nhà khoa học máy tính người Canada kiêm giáo sư tại Đại học Montreal, đã làm thay đổi ngành mật mã học và điện toán.

Cả hai đã nhận được Giải thưởng AM Turing vào thứ Tư vừa qua nhờ công trình đột phá của họ về mật mã khóa lượng tử. Được đặt theo tên của nhà toán học quá cố và người giải mã mật mã thời chiến Alan Mathison Turin, người đã đặt nền tảng toán học cho điện toán, giải thưởng này được xem như giải Nobel của ngành khoa học máy tính.

“Mật mã học là trụ cột cơ bản của nền kinh tế toàn cầu, sự an toàn, an ninh và chủ quyền của chúng ta. Nó thực sự là hệ thống nền tảng vô hình,” Michele Mosca, đồng sáng lập kiêm CEO của công ty an ninh mạng evolutionQ và là giáo sư tại Viện Máy tính Lượng tử thuộc Đại học Waterloo ở Ontario, cho biết.

Ban đầu, công trình nghiên cứu của Bennett và Brassard gặp khó khăn trong việc được công nhận, nhưng giờ đây nó đã trở nên cấp thiết và quan trọng hơn. Các chuyên gia an ninh lo ngại về điều được gọi là “ngày Q” hay ngày lượng tử: sự phát triển của một máy tính lượng tử đủ mạnh để phá vỡ các khóa mã hóa toán học, chẳng hạn như RSA, hiện đang bảo vệ hầu hết các thông tin liên lạc trên internet, có khả năng dẫn đến vụ rò rỉ bí mật lớn nhất trong lịch sử.

An ninh mạng hiện nay dựa trên mã hóa khóa công khai, về cơ bản dựa vào một điểm kỳ lạ của toán học: Trong khi phép nhân các số tương đối dễ dàng, thì phép toán ngược lại - phân tích thừa số - lại không dễ.

Tuy nhiên, một máy tính lượng tử hoàn chỉnh , mà nhiều chuyên gia cho rằng sẽ khả thi vào giữa những năm 2030 , có tiềm năng giải mã các thuật toán toán học bảo vệ thông tin nhạy cảm. Brassard cho biết, bước đột phá này có thể dẫn đến những lỗ hổng bảo mật lớn trong các cuộc liên lạc trên internet.

Máy tính lượng tử không chỉ trông khác so với máy tính cá nhân của bạn, mà chúng còn hoạt động ở một cấp độ hoàn toàn khác. Trong số mới nhất của loạt chương trình "Tương lai thông minh" của CNN, nhà nghiên cứu lượng tử Leandro Aolita đã chia sẻ với Becky Anderson về cách công nghệ này có thể giúp giải quyết một số vấn đề lớn nhất của thế giới.

Khám phá tiềm năng của điện toán lượng tử

Máy tính lượng tử hoạt động theo một cách hoàn toàn khác so với các máy tính thông thường hiện nay, vốn lưu trữ và xử lý thông tin theo bit, sử dụng ngôn ngữ được tạo thành từ các số 0 và 1. Máy tính lượng tử sử dụng "bit lượng tử", còn được gọi là "qubit", có thể hoạt động như cả số 0 và số 1 cùng một lúc, một trạng thái lượng tử được gọi là chồng chất. Về lý thuyết, khả năng này sẽ cho phép máy tính lượng tử xử lý thông tin nhanh hơn nhiều.

Theo Brassard, với công nghệ điện toán hiện nay, biểu tượng ổ khóa trên trình duyệt internet cho thấy giao dịch hoặc trao đổi đang diễn ra một cách an toàn. “Nhưng điều này được thực hiện bằng các kỹ thuật đã hoàn toàn lỗi thời hoặc sẽ bị lỗi thời bởi máy tính lượng tử khi chúng ta có được nó.”

Theo Brassard, Mosca và các nhà phân tích khác, những kẻ xấu có thể đã thu thập dữ liệu được mã hóa, với mục đích thực hiện các cuộc tấn công "thu thập trước, giải mã sau", trong đó tất cả thông tin có thể bị đánh cắp, lưu trữ và giải mã khi máy tính lượng tử được đưa vào sử dụng.

Tuy nhiên, phương pháp mã hóa khóa lượng tử do Brassard và Bennett đề xuất cho phép truyền tải thông tin một cách an toàn tuyệt đối, không thể bị xâm nhập, ngay cả bằng máy tính lượng tử.

Trong một giao thức có tên BB84, được đặt theo tên viết tắt của họ và năm công bố, Brassard và Bennett đã chứng minh rằng hai bên muốn chia sẻ dữ liệu nhạy cảm có thể thiết lập một khóa mã hóa an toàn với tính bảo mật được đảm bảo bởi các định luật vật lý, chứ không phải bởi độ khó tính toán của một bài toán toán học. Phương pháp này sử dụng các photon ánh sáng để thiết lập một khóa bí mật giữa hai bên. Thay vì mã hóa dữ liệu trực tiếp, nó tạo ra một kênh liên lạc an toàn.

Bản chất lượng tử của các photon ánh sáng có nghĩa là nếu ai đó cố gắng chặn tín hiệu, nó sẽ ngay lập tức làm thay đổi trạng thái của tín hiệu, một đặc tính khiến cho mọi nỗ lực tấn công hoặc nghe lén đều có thể bị phát hiện ngay lập tức.

“Điều này có nghĩa là chúng ta có thể chia sẻ thông tin với sự đảm bảo rằng thông tin đó không bị người khác nghe trộm”, Bennett nói.

Trước bước đột phá đó, Bennett cho rằng các hiệu ứng lượng tử, dù thú vị để nghiên cứu, nhưng thực sự không được coi là có bất kỳ ứng dụng hữu ích nào trong lĩnh vực điện toán.

Hiệp hội Máy tính (ACM), đơn vị trao tặng Giải thưởng Turing với sự hỗ trợ tài chính từ Google, đã mô tả BB84 là “một khoảnh khắc mang tính chuyển đổi trong lịch sử khoa học máy tính” và cho biết nghiên cứu của hai người đã giúp thúc đẩy sự phát triển của một thế hệ các nhà vật lý và nhà khoa học máy tính.

“Bennett và Brassard đã thay đổi căn bản hiểu biết của chúng ta về thông tin,” Yannis Ioannidis, chủ tịch hiệp hội, cho biết trong một thông cáo báo chí. “Động lực toàn cầu đằng sau các công nghệ lượng tử ngày nay nhấn mạnh tầm quan trọng lâu dài của những đóng góp của họ.”

Đi trước thời đại

Brassard nhớ lại rằng ông và Bennett lần đầu tiên cố gắng công bố công trình của mình vào đầu những năm 1980 tại một hội nghị do Hiệp hội Máy tính (Association for Computing Machinery) tổ chức nhưng đã bị từ chối. Cuối cùng, họ đã công bố công trình của mình tại một hội nghị ở Ấn Độ.

 “Lần đầu tiên chúng tôi cố gắng gửi ý tưởng của mình ra thế giới, nó đã bị tổ chức trao giải này từ chối,” Brassard nói đùa.

Mosca cho biết khi ông lần đầu tiên tiếp xúc với công trình của bộ đôi này vào đầu những năm 1990, ông thấy nó giống như khoa học viễn tưởng, nhưng ngày nay một số công ty an ninh mạng sử dụng phương pháp này cho các sản phẩm giúp bảo mật mạng truyền tải dữ liệu.

Mặc dù mật mã lượng tử là "giải pháp tối ưu để chống lại các cuộc tấn công phá mã trong tương lai", Mosca cho biết nó đòi hỏi phần cứng chuyên dụng, điều này hiện tại khiến việc triển khai rộng rãi trở nên khó khăn. Do đó, ông nói, các phương pháp toán học trong mật mã vẫn sẽ cần thiết trong tương lai gần.

“Những gì Gilles và Charlie phát hiện ra là một kênh giao tiếp lượng tử,” Mosca nói. “Nó thực sự kỳ diệu. Bạn cần đến các thuộc tính lượng tử của tự nhiên để có thể không dựa vào giả định toán học.”