Россия и Китай впервые обменялись сообщениями по квантовой спутниковой связи

Россия и Китай провели эксперимент по передаче сообщений, защищенных с помощью квантовой криптографии. Российская наземная станция в Звенигороде обменялась закодированными изображениями размером 256×64 пикселей с наземной станцией в китайском Наньшане через китайский спутник квантовой связи «Мо-цзы».

С российской стороны в эксперименте участвовала команда ученых из Университета МИСИС, Российского квантового центра (РКЦ) и компании «КуСпэйс Технологии»
Источник изображения пресс-службы НИТУ МИСИС

В Китае уже много лет работает своя квантовая сеть протяженностью 4600 км, которой пользуются банки и компании. Для решения проблемы квантовых коммуникаций между разными континентами китайские ученые с 2016 года начали вести исследования с участием «Мо-цзы». В 2019 году к ним подключились россияне из НИТУ МИСИС, РКЦ и «КуСпэйс Технологий». В ходе ряда экспериментов удалось реализовать квантовое распределение ключей между двумя точками на расстоянии 3800 км: между наземными станциями в Звенигороде и Наньшане.

Для чего нужна квантовая криптография?

Квантовая криптография и квантовая спутниковая связь - способ защитить информацию в цифровом мире от утечек и ответ на рост мощностей компьютеров у злоумышленников. Квантовые компьютеры в руках хакеров могут спокойно справиться с математическими алгоритмами, на которых основана традиционная криптография для защиты информации. В случае с квантовой криптографией она базируется на физике: информация кодируется в одиночные кванты, ее невозможно незаметно считать, это дает возможность передавать криптографические ключи.

Однако оптический сигнал в волокне, по которому передаются фотоны, ослабевает, и инфраструктуре передачи данных требуются промежуточные доверенные узлы. Поэтому передача криптоключей через спутник видится оптимальной.

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.

Младший научный сотрудник РКЦ, соавтор исследования Александр Хмелев

Приемная наземная станция в Звенигороде может проводить стабильные сеансы связи со спутником и декодировать отправляемые космическим аппаратом поляризационные состояния одиночных фотонов.

Где применяется квантовая криптография?

По различными оценкам, в мире рынок квантовой криптографии будет расти в среднем почти на 40% в год. В мировой практике крупные банки и телекоммуникационные компании уже используют или тестируют эту технологию - как, например, это делает тот же Китай. В России первыми пилотный проект в этом направлении запустили «Росатом» и «Ростелеком», инфраструктура квантовых коммуникаций строится при поддержке Дорожной карты РЖД. Есть и как минимум одна частная компания, которая занимается этой технологией - «КуРэйт», основанная при поддержке Российского квантового центра.

Спутниковая квантовая криптография может применяться в России и в защите данных объектов, находящихся на большом расстоянии. В частности, между удаленными месторождениями полезных ископаемых или для связи между ледоколами. В рамках стратегического проекта НИТУ МИСИС «Квантовый интернет» по программе Минобрнауки России «Приоритет 2030» исследователи уже изучили риски для атак злоумышленников при таком способе связи и ликвидировали их. Это важный шаг к созданию высокоскоростных квантово-защищенных спутниковых систем связи в России.

Есть ли свои квантовые спутники у России?

Скоро появятся. Летом 2023 года с космодрома Восточный запустили первый в России прототип квантового спутника: малый космический аппарат «Импульс-1» от НИТУ МИСИС и «КуСпэйс Технологии». На нем находится оборудование, позволяющее тестировать передачу информации по лазерному каналу связи. Сеансы связи с ним проходят в штатном режиме. По информации МИСИС, «крупный бизнес уже начал проявлять интерес к этому направлению, а разработка технологии квантовых микроспутников приближает горизонт экономической целесообразности внедрения квантовых технологий».