Россияне создали хитрую математическую модель, которая улучшит качество недоступной хакерам спутниковой квантовой связи

В России создана математическая модель оценки эффективности квантовой спутниковой связи, которую невозможно взломать. У России нет своего квантового спутника, поэтому матмодель привязана к китайскому «Мо-Цзы», находящемуся на орбите с лета 2016 г.

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.
 
Фото: МИСИС
Разработчики математической модели Александр Хмелев и Владимир Курочкин
«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.