Россия и Китай впервые совместно протестировали квантовую спутниковую связь

Команда ученых из Университета МИСИС, Российского квантового центра (РКЦ) и компании «КуСпэйс Технологии» впервые в России провела совместный эксперимент по передаче сообщений, защищенных с помощью квантовой криптографии, между Россией и Китаем. Чтобы передать ключ для шифрования на расстояние более 3500 км использовался уникальный спутник квантовой связи «Мо-цзы», разработанный учеными КНР. Созданная российскими специалистами наземная станция в Звенигороде позволила обменяться закодированными изображениями размером 256 х 64 пикселей с наземной станцией в Наньшане. Демонстрация технологии спутниковых квантовых коммуникаций на международном масштабе не только укрепляет позиции России в квантовой гонке, но и открывает практический путь к внедрению новых технологий защиты данных.

В мире цифровых коммуникаций одной из очевидных потребностей является защита информации, чтобы злоумышленники не получили доступ к передаваемым данным. Это важно, например, когда мы передаем данные своей кредитной карты при покупке в Интернете. При появлении мощного квантового компьютера эти алгоритмы будут взломаны. Если классическому суперкомпьютеру для атаки требовалось бы миллионы лет вычислений, то квантовому достаточно двадцати часов. Если ничего не предпринимать, то это приведет к коллапсу системы передачи информации: объем передаваемой информации ежегодно растет примерно на 30%.

Традиционная криптография для защиты информации использует математические алгоритмы, квантовая базируется на физике. Если информация закодирована в одиночные кванты, то её невозможно незаметно считать. Это дает возможность передавать криптографические ключи.

Серьезным ограничением для такой инфраструктуры является необходимость установки промежуточных доверенных узлов из-за ослабления оптического сигнала в волокне, по которому передаются фотоны. Хотя такие системы уже созданы между Москвой и Санкт-Петербургом. В Китае функционирует квантовая сеть протяженностью 4600 км, которой пользуются банки и компании. Чтобы решить проблему квантовых коммуникаций между разными континентами, китайские ученые с 2016 начали работать со спутником «Мо-цзы». Например, они уже показали квантовую защиту видеоконференции между Пекином и Веной. Команда российских ученых из НИТУ МИСИС, Российского квантового центра (РКЦ), компании «КуСпэйс Технологии» и вместе с коллегами начали работать со спутником Мо-цзы в 2019 году. За прошедшие годы был проведен ряд экспериментов, который позволил реализовать квантовое распределение ключей между двумя точками на расстоянии 3800 км: между наземными станциями в Звенигороде и Наньшане. Российская сторона закодировала изречение философа Мо-Цзы «Разум — это понимание сущности вещей», в ответ китайские коллеги направили определение оператора плотности смешанного квантового состояния, впервые введенное Львом Ландау.

«У метода распределения квантовых ключей по оптоволокну есть ограничения: поток частиц света теряет свою энергию, поглощаясь в оптоволокне, и после пары сотен километров сигнал становится настолько слабым, что его невозможно отличить от шума. Стоит отметить, что такой квантовый сигнал невозможно бесшумно усилить в процессе распределения. В этом контексте передача ключей через спутник в открытом космическом пространстве, где нет ничего, что могло бы существенно поглотить или рассеять свет, представляет собой значительное преимущество и позволяет передавать ключи в любую точку земли эффективнее, чем по оптоволокну», — говорит соавтор исследования, младший научный сотрудник РКЦ Александр Хмелев.

Приемная наземная станция в Звенигороде — на данный момент единственная в России – была создана российскими учеными на базе телескопа, который находится на территории Звенигородской обсерватории Института астрономии Российской академии наук.

«Усилиями большой коллаборации ученых и инженеров создана уникальная приемная станция, которая позволяет проводить стабильные сеансы связи со спутником, а также декодировать отправляемые космическим аппаратом поляризационные состояния одиночных фотонов. Спутниковая квантовая криптография открывает принципиально новые возможности по защите данных объектов, находящихся на большом расстоянии, например, между удаленными месторождениями полезных ископаемых или для связи ледоколов», — отмечает Алексей Фёдоров, директор Института физики и квантовой инженерии НИТУ МИСИС, руководитель научной группы «Квантовые информационные технологии» РКЦ.

В своем исследовании ученые дополнительно изучили возможные уязвимости, возникающие в квантовых коммуникациях на практическом уровне. В теории квантовая криптография позволяет добиться стойкости защиты, которая гарантируется законами физики. На практике возникают определенные сложности, в частности, устройства для приема одиночных фотонов могут работать по-разному, что открывает возможности для атаки. В проведенном эксперименте эта лазейка была устранена. Исследование поддержано стратегическим проектом НИТУ МИСИС «Квантовый интернет» по программе Минобрнауки России «Приоритет 2030». Полученные результаты позволят в дальнейшем стать ближе к созданию высокоскоростных квантово-защищенных спутниковых систем связи в России.

В рамках этой сессии связи исследователи обменялись ключами шифрования, а также текстовыми сообщениями и закодированными изображениями размером 256 на 64 пикселя и всесторонне изучили уровень безопасности при работе всех компонентов систем квантовой спутниковой связи. По словам физиков, это еще раз подтвердило возможность использования "Мо-Цзы" для проведения сверхдалеких сессий квантовой связи и продемонстрировало возможность России использовать эти системы.

Напомним, летом 2023 года с космодрома «Восточный» был запущен прототип квантового спутника, малый космический аппарат «Импульс-1», разработанный НИТУ МИСИС и компанией «КуСпэйс Технологии», на котором находится оборудование, позволяющее тестировать передачу информации по лазерному каналу связи. Спутник с таким функционалом запущен в России впервые. Сеансы связи проходят в штатном режиме. Крупный бизнес уже начал проявлять интерес к этому направлению, а разработка технологии квантовых микроспутников приближает горизонт экономической целесообразности внедрения квантовых технологий.

В России и в мире промышленные системы квантовой криптографии уже тестируются крупными банками и телекоммуникационными компаниями. Например, пилотный проект в этой сфере реализовали Росатом и Ростелеком. Инфраструктура квантовых коммуникаций строится при поддержке Дорожной карты РЖД. Есть на этом рынке и частные компании, например, в этой сфере работает компания КуРэйт, основанная при поддержке Российского квантового центра. По различными оценкам в мире рынок квантовой криптографии будет расти в среднем почти на 40% в год.