По атмосферному каналу: российский учёный — о беспроводной квантовой связи

Учёные из Центра квантовых технологий физического факультета МГУ испытали оборудование для передачи защищённой квантовым способом информации по беспроводному каналу. В интервью RT научный руководитель центра, доктор физико-математических наук, профессор кафедры квантовой электроники Сергей Кулик объяснил, что в этом случае данные передаются с помощью лазера, поэтому связь можно установить в пределах непосредственной видимости. Такая технология необходима, когда требуется абсолютная защита данных, отмечают разработчики. Кроме того, в МГУ уже подготовили аппаратуру для создания таких каналов связи с помощью низкоорбитальных спутников. Также защищённую квантовую связь можно применять для управления беспилотниками.

— Сергей Павлович, в своих интервью RT Вы уже рассказывали о том, как устроена квантовая связь. Напомните, пожалуйста, в двух словах — что такое квантовая связь, какие у неё особенности? 

— Главная особенность и преимущество квантовой связи — исключительный уровень конфиденциальности. В целом секретность связи обычно обеспечивается за счёт часто сменяемых криптографических ключей, которыми располагают оба абонента. В квантовой связи используется новый способ распределения криптографических ключей — квантовый. Ключи формируются с помощью потока одиночных фотонов. Любое внешнее воздействие приведёт к разрушению состояния фотона. Если уровень ошибок при формировании ключа превосходит критический для используемого протокола, сеанс связи прерывается. Единственное измерение производится, когда фотон достигает принимающего устройства на другом конце сети, во время этого процесса частица исчезает.

В квантовой связи используются два канала передачи данных: по квантовому каналу передаются квантовые состояния света, а по классическому происходит обмен вспомогательной информацией, необходимой для правильной работы протокола квантовой криптографии.

Технология квантовой связи предполагает, что сначала между абонентами распределяются ключи, а затем ими шифруется передаваемая информация. Информацию, зашифрованную квантовыми ключами, можно передавать как по оптоволокну, так и по атмосферным (беспроводным) каналам.

Технология квантовой связи активно развивается и в России, и во всём мире. У нас в стране такая связь уже представлена не просто в виде одной линии, связывающей двух абонентов, а полноценными сетями. Одна из таких сетей была представлена в конце прошлого года в МГУ имени М. В. Ломоносова. Это разветвлённая система, которая включает сейчас более 20 абонентов на кампусе МГУ, а также протянута до офиса индустриального партнёра нашего Центра — компании «ИнфоТеКС» — производителя квантового оборудования, который расположен более чем в 40 километрах от нас.

— Как устроена квантовая передача информации по атмосферным каналам связи? Как работает эта технология?

— Технология работает с использованием лазера — источника квазиоднофотонных состояний. Другое название лазера — оптический квантовый генератор. Для квантовой связи лазер настраивается так, чтобы в каждом его импульсе было очень мало фотонов. Каждому фотону придаются определённые характеристики в зависимости от используемого протокола квантовой криптографии.

Не все фотоны долетают до принимающего устройства, но часть достигает цели. На принимающей стороне стоит модуль регистрации фотонов — объектив с достаточно высокой апертурой (апертура — характеристика оптического прибора, описывающая его способность собирать свет. — RT). Далее фотон попадает в специальную оптическую систему, на детектор, который преобразует полученные данные в импульсы для формирования криптографического ключа.

Использование атмосферного канала связи имеет как плюсы, так и минусы. Минус — для передачи данных нужно, чтобы абоненты находились в непосредственной видимости, чтобы между ними не было преград. Такая связь сильно зависит от погоды — во время снегопада или тумана криптографические ключи по атмосферному каналу распределить не получится. Но с этой проблемой уже научились бороться — ключи распределяются с небольшим запасом, старыми ключами можно некоторое время шифровать новую информацию.

В наших системах ключи (256 бит) генерируются со скоростью порядка нескольких штук в минуту или быстрее.

Плюс заключается в том, что беспроводной канал можно использовать там, где нельзя проложить оптоволокно.

— Центр квантовых технологий физического факультета МГУ недавно протестировал аппаратуру для передачи квантовых ключей и информации, защищенной квантовыми ключами, по атмосферным каналам связи. Расскажите, пожалуйста, подробней об этой работе.

— Эта работа ведётся нами уже очень давно, такую аппаратуру мы уже тестировали много раз. Накануне мы просто сделали ещё один шаг вперёд в рамках этого проекта, вышли на новый технический уровень. Система представляет собой два терминала, которые связаны между собой через атмосферный канал на расстоянии в несколько километров, в пределах видимости. Причём, мы уже делали систему распределения ключей через атмосферный канал и на мобильный объект — это был беспилотный летательный аппарат, который летал в радиусе нескольких сотен метров вокруг передатчика.

У нас есть и другой проект, который пока тормозится из-за бюрократических проволочек, — речь о распределении ключей на низкоорбитальные спутники. В этой области у нашего Центра есть большой задел: необходимая аппаратура разработана и изготовлены макетные образцы.

— Насколько сложная аппаратура нужна для реализации квантовой связи по атмосферному каналу?

— Используется как специальная аппаратура, так и классическая, которая применяется в телекоммуникации. Специальное оборудование применяется для генерации фотонов, их преобразования и регистрации. Это уникальные приборы, хотя, повторюсь, и мы, и другие научные команды уже давно занимаемся этим направлением.

Также используется и привычное телекоммуникационное оборудование — телескопы, устройства для преобразования оптических сигналов и управления ими.

— На какое максимальное расстояние можно передавать данные таким способом?

— Лучше всего эта технология работает в космосе, где нет аэрозолей и примесей. Есть такое понятие, как дифракционная расходимость. Обычно эта расходимость имеет не очень большой угол, поэтому в космосе данные можно передавать на тысячи километров в условиях прямой видимости. Рекордные значения в земных условиях — сотни километров, но в условиях мегаполиса это, как правило, несколько километров из-за высокой загрязнённости атмосферы.

Однако есть немало заказчиков, для которых такую связь важно обеспечить даже не на километры, а на сотни метров. Это необходимо, когда на большей протяжённости квантовая связь уже обеспечена через оптоволокно, но остались небольшие участки, куда его сложно или нецелесообразно проводить. На этих участках как раз и задействуется передача данных по атмосферному каналу. Образно эти участки можно назвать «последняя миля».

Как правило, речь идёт об офисах больших компаний. Есть компании, которые располагаются в нескольких корпусах, тогда атмосферный канал позволяет установить между ними зашифрованную связь.

— Вы уже упомянули помехи в виде аэрозолей, снега, которые мешают такой связи. Есть ли какие-то ещё решения этой проблемы, кроме использования старых ключей?

— Таких решений не существует, возможные помехи — плата за секретность связи, накладные расходы, образно говоря.

— В каких ещё областях может применяться эта технология? Например, пишут о её возможном использовании для связи с беспилотным транспортом.

— Да, мы уже разработали такую аппаратуру, которая может работать на беспилотном транспорте — если это необходимо. Степень защиты данных в этом случае обеспечивается очень высокая, я не думаю, что беспилотный транспорт нуждается в таком уровне конфиденциальности. Основное применение — это всё же связь на коротких расстояниях в городских условиях, а также, в перспективе, использование в космической области.

Для космоса данная технология очень актуальна, потому что применение её на низкоорбитальных спутниках позволит покрыть защищённой связью очень большие территории. Это сложная задача, но она уже практически решена. Сегодня в России это уже даже не технический, а сугубо организационный вопрос.