Авторы:

Студенты Университета ИТМО — Матвей Грабовой, Дарья Торопова, Сергей Кузьмин.  Главный редактор: Сергей Кынев, начальник отдела научных исследований СМАРТС-Кванттелеком

В современном цифровом мире, где ежедневно передаются терабайты конфиденциальной информации — от государственных секретов до банковских транзакций — проблема информационной безопасности выходит на первый план. Традиционные криптографические системы, десятилетиями обеспечивавшие защиту данных, сегодня стоят перед серьёзным вызовом. Развитие квантовых вычислений грозит сделать уязвимыми даже самые совершенные алгоритмы шифрования, такие как RSA и ECC. Считается, что квантовые компьютеры смогут взламывать эти системы за считанные минуты, что ставит под угрозу всю современную инфраструктуру цифровой безопасности.

В этом контексте квантовая криптография представляет собой принципиально иной подход к защите информации. В отличие от традиционных методов, основанных на вычислительной сложности определённых математических задач, она опирается на фундаментальные законы квантовой механики, обеспечивая теоретически абсолютную защищённость передаваемых данных.  Ранее в нашем блоге мы уже освещали проблемы миниатюризации систем квантовой криптографии, использование систем квантовой криптографии в транспортных сетях, безопасности квантовых сетей в двух частях и об управлении ключами в таких сетях.

Роль спутников в квантовых сетях

Ограничения наземных квантовых систем

Несмотря на все преимущества квантовой криптографии, её широкое применение сдерживается серьёзными техническими ограничениями. Главное из них — проблема затухания сигнала в каналах передачи. В оптическом волокне потеря фотонов становится критической уже на расстояниях 50–100 километров. Это связано с поглощением и рассеянием света в материале волокна (кварц), а также с неидеальностью детекторов фотонов.

Эти ограничения означают, что наземные квантовые сети требуют создания цепочки наземных доверенных узлов, что снижает общий уровень безопасности системы. Именно здесь спутниковая связь может предложить иное решение.

Возможности космических квантовых систем

Космические аппараты предоставляют уникальные возможности для квантовой коммуникации. На высотах орбит (от 500 км и выше) атмосферное поглощение и рассеяние минимальны. В космическом пространстве фотоны могут распространяться на огромные расстояния без существенных потерь. Это позволяет организовать каналы связи между континентами с организацией доверенного узла в виде спутника.

Важное преимущество спутников — возможность выбора оптимального маршрута передачи. В то время как наземные системы вынуждены следовать существующей инфраструктуре (линиям волоконно‑оптической связи), спутник может напрямую соединить любые две точки в зоне своей видимости. Это особенно ценно для организации защищённой связи с удалёнными регионами, островами или морскими судами.

На рисунке 1 представлены основные типа орбит космических спутников.

Геостационарные спутники (GEO) висят в одной точке над Землей (обычно над экватором) и с них видна вся Земля, но такие спутники находятся на большом расстоянии (порядка 35 000 км) и «достать» до них довольно‑таки непросто.

А низкоорбитальные спутники (LEO) летают на расстоянии нескольких сотен километров (160-2000км) над Землей. Для них ключевой аспект — временные окна связи. Хотя каждый сеанс связи с низкоорбитальным спутником длится всего несколько минут, современные системы квантовой рассылки ключа способны за это время сгенерировать достаточное количество ключевого материала для последующего использования.

Можно задаться вопросом: «А долетают ли вообще одиночные фотоны до спутника?». Основные потери происходят в атмосфере, в наземном слое. Соответственно, чем выше у нас находится спутник, тем потери растут более нелинейно. Грубо говоря, потери «вверх» до спутника растут медленнее, чем по горизонтали в атмосферном канале связи. Соответственно если с земли отправить 100 000 000 фотонов, то до низкоорбитальных спутников «долетит» порядка 1000, соответственно потери составят порядка 50 дБ, что в принципе реализуемо в условиях нынешних систем квантовой коммуникации (рисунок 2).

Спутник как доверенный узел

Как уже было сказано концепция доверенного узла играет центральную роль в современных квантовых сетях. В этой модели спутник выступает в роли промежуточного звена, которое может быть физически защищено от несанкционированного доступа лучше, чем наземные станции.

Принципиальная схема предлагаемой конструкции представлена на рисунке 3.

Космический аппарат (КА), находясь в зоне обзора наземной станции, осуществляет сеанс квантовой связи, передавая по атмосферному каналу малоинтенсивное модулированное оптическое излучение (квантовые сигналы) с энергией порядка 1 фотона в импульсе (точное значение определяется выбранным в результате моделирования протоколом). Наземная станция (НС) осуществляет демодуляцию переданной космическим аппаратом квантовой посылки и регистрацию сигнала детектором одиночных фотонов. КА и НС обмениваются по открытому каналу служебными данными, на основе которых осуществляют выработку квантового ключа. КА перемещается в зону обзора следующей базовой станции и осуществляет генерацию новой пары квантовых ключей.

Далее осуществляется передача ключей шифрования между базовыми станциями в соответствии со схемой (рисунок 4): квантовый ключ, сформированный на первом сегменте (Пользователь 1 — Доверенный узел) кодируется в Доверенном узле (КА) путем сложения ключа сегмента Пользователь 1-Доверенный узел методом «исключающего ИЛИ» (XOR) с ключом сегмента Доверенный узел‑Пользователь 2 передаётся по открытому каналу и декодируется Пользователем 2 посредством сложения «исключающим ИЛИ» принятого кодированного сообщения с ключом сеанса Доверенный узел-Пользователь 2. Предельное расстояние между базовыми станциями при этом не ограничено.

Хотя такая модель теоретически уязвима к атаке на сам спутник, на практике обеспечение физической безопасности орбитального аппарата значительно проще, чем защита протяжённых наземных линий связи. Кроме того, распределённые системы с несколькими спутниками могут обеспечить избыточность и дополнительную защиту.

Развитие космических систем квантовой связи

Несмотря на впечатляющие успехи последних лет, перед внедрением этой технологии в массовое использование предстоит решить ряд серьёзных проблем.

Одной из ключевых трудностей остаётся ограниченная скорость генерации квантовых ключей. В современных экспериментах скорость генерации ключей все еще не превышает нескольких килобит в секунду, что недостаточно для высокоскоростных каналов связи. Эта проблема связана с потерями сигнала в атмосфере, шумами детекторов и сложностью точного наведения оптических систем. Увеличение скорости потребует разработки более эффективных однофотонных источников и приёмников, а также совершенствования алгоритмов обработки данных.

Другой важный аспект — надёжность и долговечность спутниковых систем. Космическая радиация, температурные перепады и механические нагрузки могут повреждать чувствительные компоненты квантовой аппаратуры. Для коммерческого использования необходимо создание более устойчивых технологий, способных работать в жёстких условиях орбиты на протяжении многих лет.

Стоимость развёртывания и эксплуатации спутниковых систем квантовой рассылки ключа также остаётся высокой. Запуск специализированных спутников, требует значительных инвестиций. В будущем снижение затрат может быть достигнуто за счёт миниатюризации оборудования, использования многофункциональных платформ и развития международной кооперации в этой области.

В следующей статье мы подробно рассмотрим конкретные примеры реализованных и проектируемых систем спутниковой квантовой криптографии, включая их архитектуру, используемые протоколы и практические результаты. Это позволит лучше понять, как современные технологии адаптируются для работы в космосе и какие инновации ожидают нас в ближайшем будущем.