Модель российская, спутник китайский
Российские ученые разработали математическую модель для быстрой оценки эффективности спутниковой квантовой связи, сообщили CNews представители университета МИСИС. По заверениям авторов модели, она позволяет упростить и ускорить практическое моделирование квантового канала связи.
Над проектом работала группа ученых, состоящая из специалистов МИСИС, МФТИ и Российского квантового центра. Но у России нет своего спутника квантовой связи, поэтому эксперты создавали ее с учетом особенностей китайского спутника «Мо-Цзы» – КНР вывела его на орбиту почти семь лет назад, в августе 2016 г.
Творение российских ученых – это полуэмпирическая матмодель квантового распределения ключей (КРК) со спутника «Мо-Цзы» на созданную в России наземную станцию. Она позволит быстро оценивать эффективность уже спроектированных наземных станций и послужит для разработки и анализа группировки спутников для квантового распределения ключей. Другими словами, это готовый к использованию практический метод оценки эффективности наземных станций, которые, по словам ученых, являются одним из ключевых элементов будущих квантовых сетей.
Использование технологии КРК позволяет создавать невзламываемые каналы связи – безопасность переговоров и передачи данных гарантируется законами квантовой физики.
«Мо-Цзы», названный в честь дневнекитайского философа, стал первым в мире невзламываемым спутником для квантовой связи. Первоначально его планировалось эксплуатировать в течение двух лет, но и по прошествии семи лет он все еще используется. Первые четыре месяца, что спутник пробыл на орбите, Китай тестировал его. Официальный запуск «Мо-Цзы» состоялся в середине января 2017 г., а первый успешный эксперимент в области квантового шифрования китайцы провели в августе 2017 г. Тогда они смогли отправить данные на Землю со своего спутника, защищенные при помощи технологии квантового распределения ключей. В планы КНР входит создание невзламываемой сети связи, которая должна заработать в стране не позднее 2030 г., и «Мо-Цзы» является одним из ее компонентов.
Хакеры бессильны
В МИСИС сообщили CNews, что связь математической модели оптимизации квантовой сети с технологией квантового распределения ключей – это задел на будущее в плане безопасности передаваемой информации. Если обычная криптография с открытым ключом шифрования основана на вычислительной сложности определенных математических функций и подвержена взлому, то технология КРК обеспечивает 100-процентную стойкость к взлому при помощи как ныне существующих средств, так и тех, что будут придуманы в дальнейшем. Сторонники этой технологии утверждают, что расколоть шифр после того, как он прошел процедуру квантового распределения ключей, не смогут даже квантовые компьютеры.
Стойкость к взлому обеспечивает и сам принцип работы алгоритма КРК. Он подразумевает создание сразу двух произвольных ключей для «источника» и «приемника» информации, которые затем используются для дешифровки. КРК происходит с использованием фотонов, которые передаются по оптоволокну или в свободном атмосферном пространстве. Попытка доступа к информации в сети без ключа вызовет искажение данных, поскольку измерение квантового состояния фотона невозможно без внесения в него изменений.
По числу таких искажений можно будет с высокой точностью выявить попытку перехвата передачи информации и без промедления прервать связь. А поскольку КРК можно использовать и по оптоволокну, и по воздуху, это позволяет не ограничиваться в дальности действия защищенного спутникового соединения.
Подробнее о модели
При всех преимуществах спутниковой квантовой связи она имеет ряд недостатков, особенно если в ней используются низкоорбитальные космические аппараты – они слишком быстро уходят из зоны прямой видимости. Также влияют и погодные условия – наличие или отсутствие ясной видимости. Российская матмодель обеспечивает быстрый анализ канала связи между спутником и наземной станцией. «В отличие от других чисто теоретических моделей, наш полуэмпирический подход основан на коэффициентах атмосферного затухания, общих для наземных станций, которые расположены в средних широтах, – сообщил CNews аспирант ЛФИ МФТИ, научный сотрудник РКЦ Александр Хмелев. – Данные коэффициенты, характеризующие атмосферу с точки зрения проницаемости светом, были получены экспериментально как для ясных, так и для туманных погодных условий при помощи разработанной наземной станции. Проверка модели и феноменологических параметров была проведена с использованием опубликованных экспериментальных данных со спутника «Мо-Цзы». «Используя нашу модель для реальных наземных станций на базе телескопов с апертурой 300 мм и 600 мм, мы смоделировали скорость генерации секретного ключа, получаемого в ходе сеанса КРК со спутником «Мо-Цзы», – добавил Александр Хмелев.
По словам разработчиков, коэффициент атмосферного затухания был получен на основе проведенных ими измерений интенсивности излучения звезд на длине волны 850 нм как для ясного, так и для туманного неба. Все замеры осуществлялись с использованием специально разработанной наземной станцией на базе телескопа 600 мм в режиме счета фотонов.
«Мы работаем над возможностью глобального распределения квантового ключа по всей поверхности земного шара с помощью спутников с оптическими квантовыми каналами связи, – отметил Владимир Курочкин, заведующий лабораторией квантовых коммуникаций МИСИС. – Уже разработали наземные приемные станции для этого вида коммуникаций. Для создания спутников с квантовой линией связи важно уметь правильно рассчитывать параметры спутника, приемной наземной станции и скорости передачи данных. Предложенная модель квантового канала связи позволит предсказать скорость распределения ключа. Это поможет при создании нашего спутника в будущем».
Где в России используется невзламываемое квантовое шифрование
В России ставка на технологию квантового распределения ключей делается очень большая. Эти алгоритм используется в линии квантовой связи протяженностью 700 км, которую построила РЖД, и которая заработала летом 2021 г. В основе сети лежат собственные оптоволоконные сети РЖД, и к 2024 г. компания увеличить протяженность линий квантовой связи возрастет до 7000 км.
В октябре 2021 г. силами специалистов университетов МИСИС и МТУСИ была разработана первая в России открытая квантовая сеть. Она способна масштабироваться по мере подключения к ней новых участников. Ее могут бесплатно использовать не только государственные учреждения и компании-партнеры, ученые для исследований в области квантовых коммуникаций, но и студенты.
В октябре 2022 г. CNews писал о планах РЖД и «Газпрома» по закупке первых отечественных квантовых телефонов и внедрению их в свои инфраструктуры. Под проект было выделено 100 млн руб., реализация запланирована на 2023 г.
Но квантовой защищенной связью Россия заинтересовалась еще раньше. Например, в октябре 2020 г. холдинг «Швабе» госкорпорации «Ростех» присоединился к научно-исследовательскому проекту БРИКС по квантовым коммуникациям. Ученые России, Китая, Индии и ЮАР планировали провести совместные исследования и создать межконтинентальный канал квантовой связи, который свяжет университеты – участники проекта в ЮАР и Китае. Протяженность канала составит более 10 тыс. км. О судьбе проекта на момент выхода материала информации не было. Как на его реализацию повлияли события, начавшиеся 24 февраля 2022 г., неизвестно.
Поделиться
