Российско-китайская квантовая запутанность

Команда ученых из НИТУ 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 3800 км, использовался уникальный спутник квантовой связи QUESS (Micius), разработанный учеными из КНР. Российские исследователи начали работать с этим спутником в 2019 году. Реализовать квантовое распределение ключей удалось благодаря целому ряду экспериментов, которые были проведены за эти годы.

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.

Осуществить обмен закодированными изображениями размером 256 64 пикселей с китайской наземной станции в Наньшане позволила приемная станция в Звенигороде — на данный момент единственная в России. Она была создана российскими учеными на базе телескопа, который находится на территории Звенигородской обсерватории Института астрономии РАН.

«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», — отметил директор Института физики и квантовой инженерии НИТУ МИСИС, руководитель научной группы «Квантовые информационные технологии» РКЦ Алексей Федоров.

Этот эксперимент можно считать прорывом в развитии беспроводной составляющей квантовых коммуникаций в России. В феврале 2022 года специалисты компаний QRate и «Мостком» совместно с исследователями из Московского технического университета связи и информатики реализовали передачу квантового ключа шифрования через беспроводную оптическую линию связи на 3100 метров. В ходе эксперимента использовалось промышленное оборудование квантового распределения ключей Qrate, интегрированное с оборудованием «Мостком» для атмосферной оптической линии связи.

Похожий эксперимент в мае 2022 года провели ученые Центра квантовых технологий МГУ, передача сигнала осуществлялась между корпусами университета.

В июне 2023 года был запущен микроспутник «Импульс–1», разработанный исследователями Университета МИСИС, с экспериментальным прибором «Вектор» (создан специалистами компании «КуСпэйс Технологии» и МИСИС). Прибор позволит протестировать в условиях космоса отдельные элементы будущей системы спутникового квантового распределения ключей, в частности систему оптического наведения.

Как передать фотоны

Во всем мире активно обсуждается идея «квантового интернета» — технологии будущего, основанной на передаче информации с использованием принципов квантовой физики: кодирования информации в квантовых состояниях частиц света (одиночных фотонов). Привлекательность идеи состоит, во-первых, в возможности подключения/объединения в сеть квантовых устройств, во-вторых, в теоретически абсолютно надежной защите передаваемой информации от перехвата. Потенциально несколько квантовых вычислителей, соединенных эффективной квантовой сетью, смогут образовывать квантовый суперкомпьютер.

Однако такая задача станет актуальной, только когда появятся реальные практически применимые квантовые вычислители, то есть, опираясь на оценки экспертов, не ранее чем через десять-пятнадцать лет.

Зато уже сейчас есть запрос на максимальную защиту передаваемых данных. Решения из области квантовых коммуникаций, использующие принципы квантовой физики, окажутся незаменимыми и в этом случае. Гарантированно защитить цифровую инфраструктуру, предотвратить компрометацию и несанкционированный доступ позволяют технологии квантового распределения ключей (КРК).

Эта технология близка к массовому применению. Главная ее особенность — обеспечение секретности распределения информации, поэтому ее можно использовать для передачи ключей шифрования. Согласно правилам квантовой механики, такие ключи, полученные квантовым распределением, невозможно незаметно скопировать, перехватить или подделать.

Чтобы получилась линия квантовой связи, нужно организовать канал для эффективной передачи фотонов, выступающих носителями информации. Для этого используются либо обычные оптоволоконные кабели, либо оптические линии в свободном пространстве (атмосфера, космос).

 «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»

«Бесспорное преимущество использования оптоволокна в том, что такие решения относительно легко встраивать в существующие магистральные оптоволоконные сети, — рассказал “Стимулу” менеджер проектов “КуСпэйс Технологии” Дмитрий Плохов. — Но оптический сигнал, ослабленный почти до однофотонного состояния, в волокне экспоненциально быстро затухает, что вызвано свойствами проводящей среды. Из-за этого оптоволоконные квантовые каналы остаются эффективными на дальностях не более 100‒120 километров, что сопоставимо с размерами крупного мегаполиса. Для больших расстояний придется строить промежуточные узлы, в которых квантовая информация преобразуется в классический вид, а затем заново преобразуется в квантовый. Такие узлы станут уязвимыми местами защищенной сети, поскольку в них квантовая защита нарушается, что теоретически оставляет возможность для несанкционированного доступа к данным или вмешательства в них. Соответственно, промежуточные точки в прямом смысле должны быть хорошо защищены, что потребует дополнительных затрат. В итоге с увеличением длины квантовой магистрали затраты на инфраструктуру будут быстро расти. Эту трудность удастся преодолеть, когда будут созданы квантовые повторители, которые смогут воспроизводить информацию, не разрушая квантовое состояние. Но пока их нет. Отдельной проблемой является случай, когда абоненты физически изолированы друг от друга природными преградами или чужой территорией. Тогда проложить кабель будет невозможно».

Поэтому, пока не будут созданы эффективные квантовые повторители, для расстояний от тысячи километров необходимы иные способы реализации квантового канала. Возможным решением, как считают в компании «КуСпэйс Технологии», является использование оптических линий в свободном пространстве (атмосфера, космический вакуум). Затухание в таком канале растет пропорционально квадрату расстояния, что значительно меньше экспоненциального закона. Тогда становится возможной передача квантовых состояний между двумя точками на значительные расстояния без каких-либо промежуточных узлов, даже на существующем уровне технологий. Это открывает дорогу для построения квантовых сетей в масштабах крупных регионов, стран и континентов.

«Учитывая практические плюсы, которые есть у оптоволоконных систем, вряд ли в будущем квантовые линии связи будут целиком состоять из космических или атмосферных сегментов. Скорее они должны дополнять друг друга. В частности, спутниковые криптографические системы КРК и оптоволоконные системы будут задействованы на разных расстояниях.

Впереди с большим отрывом Китай

Лидером в исследованиях космических систем квантовой связи является Китай. На безоговорочное первое место КНР вышла в 2016 году с момента запуска космического аппарата QUESS (Micius), который называют первым квантовым спутником в истории. Это достаточно большой спутник массой порядка 630 кг. Для миссии QUESS были заявлены разнообразные и очень амбициозные цели, на борту аппарата был установлен целый комплекс приборов для экспериментов с квантовой связью.

Результаты миссии оказались рекордными. Было продемонстрировано распределение ключа между Пекином и Веной на расстояние 7600 км. Использовался наиболее популярный и хорошо изученный квантовый протокол BB84. С помощью распределенного квантового ключа между столицами Китая и Австрии была организована первая в истории межконтинентальная квантово-защищенная видеосвязь. Со спутника QUESS также удалось распределить запутанные фотоны между наземными станциями, расположенными на расстоянии более 1200 км. «Это тоже важный шаг для проверки квантовых технологий на практике, — отмечает Дмитрий Плохов. — Использование свойств запутанных фотонов лежит в основе технологии квантовых коммуникаций, на нем строится перспективный квантовый криптографический протокол E91. Если кратко резюмировать итоги миссии QUESS, то на одном спутнике Китай смог протестировать почти весь набор технологий, необходимых для построения квантовых каналов связи из космоса. Это большой задел на будущее, и такого опыта нет ни у одной другой страны».

 «Учитывая практические плюсы, которые есть у оптоволоконных систем, вряд ли в будущем квантовые линии связи будут целиком состоять из космических или атмосферных сегментов. Скорее они должны дополнять друг друга. В частности, спутниковые криптографические системы КРК и оптоволоконные системы будут задействованы на разных расстояниях

Следующей вехой в работе китайских исследователей стала демонстрация квантового распределения ключей с борта космической станции «Тяньгун-2». Для этого был создан новый компактный терминал, массой примерно в два раза легче системы, разработанной для спутника QUESS. Этот эксперимент стал логичным шагом в направлении создания практически применимых космических систем КРК, требующих недорогих решений. Согласно видению китайских разработчиков, чтобы обеспечивать достаточную производительность (выработку ключей) и одновременно быть доступной из большинства районов земного шара, реальная система КРК в будущем должна состоять из сети спутников с разными типами орбит. Спутники должны быть интегрированы с наземными квантовыми сетями, чтобы сеть была действительно единой.

«И пока последняя на текущий момент большая новость из Китая по теме космических квантовых коммуникаций – запуск в июле 2022 года исследовательского спутника “Цзинань-1”, — рассказывает Дмитрий Плохов. — Он создан в качестве развития миссии QUESS. Масса этого аппарата всего около 90 килограммов, при этом квантовый терминал на нем будет способен генерировать ключи со скоростью на два-три порядка быстрее, чем QUESS. По-видимому, “Цзинань-1” является прототипом-демонстратором будущих серийных спутников, из которых будет строиться группировка для квантовой связи на низкой орбите. Было бы очень интересно узнать больше подробностей о результатах этой миссии, но прошло уже полтора года с момента запуска, а новой информации о “Цзинань-1” пока не появлялось».

Следом идет Европа

Вторая по масштабу после китайской — программа европейской квантовой инфраструктуры связи (The European Quantum Communication Infrastructure, EuroQCI), которая была анонсирована в 2019 году. Цель программы — создать суверенную защищенную систему коммуникаций, основанную на квантовых технологиях. Проект предполагает, что общеевропейская квантовая инфраструктура будет состоять из наземных волоконных сетей стран-участниц и космического сегмента, построенного из специализированных спутников квантовой связи.

«Будущие европейские квантовые спутники, в свою очередь, станут частью другого, не менее масштабного проекта космической системы защищенной связи IRIS2. В обеих инициативах сделан акцент на защиту, безопасность данных и независимость от других стран, — поясняет Дмитрий Плохов. — Квантовая инфраструктура должна обеспечить полное покрытие территории ЕС и других континентов. И именно использование спутников для квантового распределения ключей даст возможность для безопасного обмена информацией между европейскими абонентами, даже если они находятся за пределами ЕС. Вполне естественно, что проект EuroQCI в первую очередь будет нацелен на задачи европейских правительственных учреждений. В частности, на защиту конфиденциальной информации, поддержку оборонных задач, обеспечение устойчивости функционирования критически важной инфраструктуры, например центров обработки данных, больниц, энергетических сетей, транспортной системы и так далее».

В сентябре 2022 года Европейское космическое агентство (ЕКА) анонсировало создание спутника-демонстратора Eagle-1 для квантового распределения ключей. Ожидается, что это будет космический аппарат массой около 300 кг, его запуск должен состояться в 2024 году. Создание такого спутника доверили технологическому консорциуму из ведущих европейских компаний аэрокосмической отрасли.

«Стоит сказать, что у европейских исследователей накоплен значительный опыт в области квантовых коммуникаций с использованием атмосферных линий связи. Например, коллаборация ученых из нескольких европейских университетов успешно провела полноценное тестирование квантового распределения ключей между лабораториями, расположенными на Канарских островах, расстояние между которыми составило 144 километра. В 2013 году другие исследователи протестировали КРК с летательного аппарата на наземную станцию, что является хорошим приближением к КРК из космоса», — отмечает Дмитрий Плохов.

Исследования проводятся во многих странах

Остальные проекты по квантовым коммуникациям в космосе, реализованные или находящиеся на стадии реализации, по словам Дмитрия Плохова, куда менее масштабны, чем у Китая или ЕС.

В 2019 году с борта МКС был запущен сингапурский микроспутник SpooQy-1 с прибором для тестирования генерации и детектирования запутанных фотонов в условиях космоса. Аппарат разработан командой исследователей из Национального университета Сингапура. Особенность миссии в том, что в спутнике были объединены передатчик фотонов и приемник, то есть квантовая коммуникация осуществлялась исключительно внутри прибора, без передачи на Землю. Полученные результаты и опыт команда решила коммерциализировать и создала первую в мире компанию (spin-off) SpeQtral, занимающуюся разработками в области квантовых коммуникаций в космосе. Уже в 2022 году компания анонсировала создание своего первого коммерческого спутника SpeQtral-1, его запуск намечен на 2024 год. «Пока нет никаких подробностей о характеристиках спутника, , — говорит Дмитрий Плохов, — но с большой уверенностью можно сказать, что там будет квантовый протокол на запутанных фотонах, поскольку именно это направление последовательно развивают сингапурские разработчики».

В Канаде с 2014 года развивается проект по тестированию спутникового канала квантовой связи QEYSat. Особенность канадского проекта в том, что в ходе миссии должна быть продемонстрирована квантовая связь Земля — спутник, хотя канал спутник — Земля также будет реализован. Инициатива QEYSat поддержана Канадским космическим агентством. Интегратором миссии выбрана компания Honeywell. Она, во-первых, должна адаптировать свой оптический терминал под квантовую связь, а во-вторых, как отмечает Дмитрий Плохов, увеличить шансы миссии на успех, усиливая проект своим опытом. Определен также формат спутника: его масса составит порядка 150‒200 кг.

 «Если кратко резюмировать итоги миссии QUESS, то на одном спутнике Китай смог протестировать почти весь набор технологий, необходимых для построения квантовых каналов связи из космоса. Это большой задел на будущее, и такого опыта нет ни у одной другой страны»

Квантовые амбиции в космосе есть и у Великобритании — там реализуется программа по квантовым технологиям UK National Quantum Technologies Programme. В ее рамках прорабатывалось сразу несколько проектов по квантовым коммуникациям в космосе: часть из них предложены как национальные инициативы, другие предполагали международную кооперацию (в частности, с Сингапуром, ЕКА, Канадой). Объединяет эти проекты желание использовать микроспутники формата кубсат как альтернативу большим аппаратам, что должно удешевить технологию и обеспечить ее быстрое распространение.

«Как это ни удивительно, масштабных инициатив в области космической квантовой связи нет у Соединенных Штатов, — говорит Дмитрий Плохов, — хотя эта область подробно исследовалась там, в том числе в NASA. Единственным известным проектом, находящимся в активной стадии, является эксперимент SEAQUE с борта МКС по тестированию квантового кодирования на перепутанных состояниях. Эксперимент должен подтвердить реализуемость технологий, которые потенциально смогут связать точки на орбите с квантовыми передатчиками и приемниками на больших расстояниях».

Как отмечает эксперт «КуСпэйс Технологий», в области квантовой связи в космосе или атмосфере есть также успехи у исследователей из Японии (эксперимент SOTA), в Индии продемонстрирована передача квантовой информации по атмосферному каналу на несколько сотен метров, существуют научные проекты и публикации по этой теме и в некоторых других странах. Однако эти проекты носят сугубо исследовательский характер и, по крайней мере пока, не предполагают создания реальных квантовых сетей с космическим или атмосферными сегментами.

Россия ставит на микроспутники

«По сравнению с Китаем, который лидирует в мире с огромным отрывом, наши достижения в области космической квантовой связи весьма скромные, — отмечает Дмитрий Плохов. — Но среди “догоняющих” стран позиции России достаточно уверенные. Мы близки к созданию своего квантового спутника, о такой перспективе уже заявляли несколько коллективов (ЦКТ МГУ, “КуСпэйс Технологии”)».

В компании «КуСпэйс Технологии» уверены, что логичным шагом должно стать создание космического квантового передатчика, чтобы у России была реализована полноценная система КРК из космоса. Такая же цель записана в дорожной карте по развитию квантовых коммуникаций.

«Для реализации такого проекта наиболее перспективно использование сверхмалых космических аппаратов формата кубсат, — рассказали о своем видении в компании “КуСпэйс Технологии”. — Это позволило бы сильно снизить стоимость и получить быстрые результаты, отработать важные части технологии КРК. Китайские квантовые аппараты стоили очень дорого, и вряд ли имеет смысл идти их путем. Важно, что кубсаты используются не только в исследовательских проектах (для демонстрации технологий, студенческих работ), но и в серьезных коммерческих орбитальных группировках. То есть с их помощью можно решать достаточно сложные задачи на высоком техническом уровне».

В «КуСпэйс Технологиях» проработан технический проект такого квантового микроспутника формата кубсат 16U, определены параметры его систем, включая детальный проект самого передатчика. Более того, сделан ряд макетов для отработки некоторых задач на Земле.

«Дальнейшую работу над проектом по спутниковому КРК мы связываем с дорожной картой по квантовым коммуникациям, — поделились планами в “КуСпэйс Технологиях”, — поскольку полагаем, что развитие приоритетных для страны технологических направлений должно быть синхронизировано с остальными участниками и будущими ключевыми пользователями».