Квантове спілкування для Європи. Нова якість, яку можуть створити спільно польські компанії та університети

Європейські установи та країни регіону, які ведуть співпрацю в галузі промислових інновацій, погоджуються в технології квантової комунікації, що вони оголошують про новий етап прогресу та сприяння розвитку в цій частині світу. Наукові підрозділи та компанії, що діють у Польщі, беруть участь у цій галузі в активному розробці рішень та ідей, беручи участь у спільному створенні інфраструктури квантової комунікації (QCI) та відкриваючи шляхи її вдосконалення в найближчі роки. Одним із прикладів такої діяльності є проект "Самонастроювання електронного контролера для супутникового генератора квантового заплутування", реалізований в рамках програми NCBR Fast Track SME від SYDERAL Polska з Гданська.

Європейський попит: стрибок поколінь у сфері спілкування

Безпека та надійність системи передачі інформації є однією з головних потреб державних служб та збройних сил кожної країни. Для задоволення цих потреб та серед інших Розглядаючи потенційні загрози, пов'язані з кібертероризмом та перехопленням конфіденційних даних, Європейська Комісія створила проект з розробки Європейської інфраструктури квантової комунікації або EuroQCI).

EuroQCI передбачає як побудову наземної мережі зв'язку, так і запуск супутникового сегмента — поєднуючи технологічний потенціал та можливості окремих держав-членів. Основним припущенням залишається створення однієї загальної мережі, що дозволяє використовувати квантову комунікацію для поліпшення обміну чутливими та класифікованими даними. Очікуваний ефект — це стрибок поколінь та значне підвищення рівня безпеки всієї комунікаційної інфраструктури.

Європейському космічному агентству було запропоновано спільно створити космічну частину EuroQCI як організацію, яка пропонує унікальну компетенцію у підготовці супутникової інфраструктури. Цей елемент буде, насамперед, супутниками та наземними станціями, реалізованими в рамках програми SAGA (Security And cryptoGrAphic місія), яка має бути демонстрацією квантового розподілу ключів (QKD). Це в свою чергу є невід'ємною частиною програми ESA ARTES у сфері стратегії 4S (Космічні системи безпеки та безпеки).

Європейське космічне агентство несе повну відповідальність за проект SAGA, включаючи розробку, тестування орбіти та валідацію космічного сегменту. Потім його розроблені рішення будуть інтегровані з наземним сегментом QCI.

Польські наукові підрозділи та компанії також беруть участь у зборі інформації про наявні рішення та елементи QCI та пропозиції щодо їх розширення в найближчі роки. У той же час, розробка цих припущень супроводжується дослідженнями та розробками. Одним із прикладів такої діяльності є проект "Самоналаштування електронного квантового супутникового контролера генератора заплутування", реалізований в рамках програми NCBR Fast Track SME для SYDERAL Polska з Гданська.

У цьому проекті також задіяні два вітчизняні наукові підрозділи. Університет імені Ніколая Коперника в Торуні розробляє прототип джерела, здатного генерувати заплутані пари фотонів, на яких буде випробована електроніка, розроблена Syderal. Паралельно Гданський університет створює алгоритми управління, які відповідають потребам, що дозволить швидко виправити оптичну систему.

Розроблені нами оптичні системи можуть генерувати пари фотонів, які завдяки своїй некласичній природі можуть бути використані для квантової комунікації. Syderal Polska взяла на себе зобов'язання розробити один з ключових елементів, який дозволить такій оптичній системі працювати в космосі.

Пьотр Колендерський, лабораторія єдиного застосування фотонів, Університет Ніколая Коперника в Торуні

Як наголошують його творці, цей тип контролера має хороші шанси використовуватись у програмі SAGA, де якість генерованого сигналу (заплутаних пар фотонів) визначатиме довжину корисного ключа шифрування, який можна отримати. Цей ключ буде використаний для подальшого шифрування зв'язку або вже збережених даних.

Наукова сторона проекту SAGA

Квантова комунікація заснована на використанні квантових станів окремих фотонів у процесі передачі інформації. Однак, враховуючи, що пропускна здатність результуючих квантових каналів зв'язку не відповідає ємності класичних каналів, які використовуються в даний час, квантова ланка використовується лише для обміну ключем шифрування (що є рядком біт).

зображення
Зображення: ESA [esa.int]

 

Цей ключ дозволяє використовувати сильні класичні алгоритми симетричної криптографії (наприклад, AES-256) для даних, що надсилаються звичайними засобами. Цей процес уже в народі називають квантовим розподілом ключів і є одним із стовпів квантової криптографії. Перевагою такого рішення є, що випливає з принципів квантової механіки, теоретичної нечутливості протоколів до атак (на практиці, однак, існують можливості так званих фізичних атак з використанням недосконалості криптографічних пристроїв).

Можна виділити два різних типи протоколів розподілу квантових ключів: на основі одинарних фотонів (підготувати та виміряти протокол) і заснований на квантовому заплутанні (протокол на основі заплутаності). Обидві концепції суттєво відрізняються як з точки зору дизайну системи, так і ключових характеристик або рівня безпеки.

Через експоненціальне ослаблення квантового сигналу в оптичних волокнах використання простору в даний час дає єдину можливість здійснювати квантовий розподіл ключів на відстані в кілька сотень і декількох тисяч кілометрів. Перший подібний тип міжконтинентальної квантової супутникової передачі був зроблений у 2017 році за допомогою китайського супутника Micius.

Однак супутникові рішення за шкалою супутника Micius надзвичайно складні та дорогі. Тому спрощені рішення використовуються все частіше — із меншими потребами в ресурсах та інвестиціях, тим самим прискорюючи роботу над квантовим супутниковим зв’язком. Мікро- та нано-супутникові рішення — це вже такий тип технології, особливо в стандарті CubeSat. Ці експерименти розроблені для перевірки роботи систем квантової оптики в космічних умовах, а також квантового зв'язку між супутником та наземною станцією.

У випадку рішення на основі одинарних фотонів реалізація супутника як довіреного вузла виявляється необхідною. Це пов’язано з тим, що супутник мав би доступ до криптографічного ключа і потрібно було б надати відповідні сертифікати безпеки для об’єктів, розташованих на орбіті Землі. Управління довіреними вузлами повинно здійснюватися власниками мережі QCI або, в особливих випадках, приватними постачальниками.

зображення
Зображення: ESA [esa.int]

 

У випадку рішення, заснованого на заплутаних парах фотонів, тобто реалізації непідвладного вузла або нульового довірчого вузла, підкреслюється, що система не потребує додаткової сертифікації безпеки, оскільки криптографічний ключ зберігається лише в засобах кінцевих користувачів, а не на борту супутника. Як наслідок, забезпечення відповідних сертифікатів безпеки поширюватиметься лише на оптичні наземні станції, а відповідальність за їх безпеку беруть на себе держави-члени ЄС, які є кінцевими споживачами квантового ключа.

Концептуальний рівень, або бачення реалізації

На цьому етапі ще не прийнято рішення щодо розміщення орбіти демонстраційного супутника SAGA. Використання кожної орбіти (LEO, MEO, GEO) має як переваги, так і недоліки, які доведеться враховувати на початковій фазі підготовки даної місії.

Проект SAGA призначений — серед інших за допомогою ряду державних закупівель — для підтримки європейських компаній у вдосконаленні виробничих можливостей стосовно технологій, пов’язаних із супутниковим квантовим розподілом. У рамках створення так званого "ноу-хау" SAGA також забезпечить супутникове тестове середовище, що дозволить учасникам-учасникам проводити комплексні випробування.

Крім того, проект SAGA — це не лише експериментальна демонстрація технології, але й буде підготовлений таким чином, щоб відповідати (раніше сформульованим) операційним вимогам кінцевих користувачів криптографічних ключів, з особливим акцентом на питання безпеки, включаючи ключові показники.

Оскільки проект SAGA представить цілу низку абсолютно нових технологій, необхідно також провести широкі науково-дослідні та дослідно-конструкторські заходи для задоволення вимог та досягнення достатньо високого рівня технологічної готовності до основних технологій, пов'язаних з космічним сегментом, до того, як програма вступить у фазу повного впровадження.

Сучасна класична криптовалюта дуже активно розроблялася протягом багатьох десятиліть, але вона все ще є досить вразливою до атак із використанням недоліків реалізації. Квантова криптовалюта набагато молодша, а її реалізація набагато складніша, тому вам ще потрібен величезний обсяг роботи, щоб забезпечити її безпеку хоча б рівним її класичному аналогу.

Марцін Павловський, Міжнародний центр теорії квантових технологій Гданського університету

Впровадження — часовий горизонт, технічні та витратні вимоги, людський капітал

У найближчі місяці будуть створені консорціуми для розробки вступного етапу для місії SAGA та її корисного навантаження. План виконання місії вказує на її очікуваний початок до кінця 2027 року.

На першому етапі проекту найбільш важливими будуть такі питання, як визначення орбіти або вибір протоколу (остаточне рішення буде між рішенням, заснованим на окремих фотонах, і тим, що базується на парах заплутаних фотонів). Також буде враховано рівень складності даного рішення: рішення наземних станцій, наявність криптографічного ключа залежно від погоди або розміру телескопів, розташованих на орбіті та на Землі.

зображення
Зображення: ESA [esa.int]

 

До 2025 року також будуть запущені місії підтримки (Місії), які будуть фінансуватися насамперед приватними інвесторами. Така участь комерційних компаній має на меті ще більше посилити великий потенціал проекту щодо розширення Європейської інфраструктури квантових комунікацій. ЄКА та Європейська Комісія, природно, будуть ключовим компонентом мережі залучених акторів, що також забезпечить співфінансування для цієї частини всього проекту.

Польща, як одна з підписантів Європейської декларації про квантову комунікацію, має шанс розвинути цю динамічно розвивається галузь економіки, яка в майбутньому створить сотні нових робочих місць. Тут слід зазначити, що польська науково-дослідна спільнота вже бере участь у численних проектах та дослідженнях у галузі квантових комунікацій — роботи проводяться, серед іншого, Гданським університетом, Університетом Ніколая Коперника в Торуні, Варшавським університетом, УМКС у Любліні та Технологічним університетом — Вроцлавська та Познанська.

Інтерес до квантових технологій приватного сектору також дає надію на комерціалізацію розвинених технологій, і, таким чином, пов'язаний з величезними економічними та розвиваючими можливостями для польських підприємств. SYDERAL Polska, завдяки дослідницькій та науково-дослідницькій діяльності, хоче активно брати участь у цьому вже окресленому процесі розробки.

Компанія також заявляє, що на правильному шляху бере активну участь у будівництві місії SAGA та європейської інфраструктури квантового зв'язку. Якщо проект SAGA та демонстрація квантових технологій будуть успішними, то, безумовно, з’являться нові інвестори, а разом з ними відкриються подальші можливості розвитку в цій захоплюючій та інноваційній галузі.

Стаття створена у співпраці з SYDERAL Polska.

Facebook Comments