23.12.2025 13:57
quanttelecom_ru 0 6300 Источник

Автор — Сергей Кынев, Начальник отдела научных исследований

В первой части мы обсудили, зачем вообще квантовой криптографии понадобились спутники, чем низкоорбитальные аппараты отличаются от геостационарных, и прикинули «на пальцах»: если с Земли отправить 100000000 фотонов, то до низкоорбитального спутника “долетит” порядка тысячи — то есть потери составят около 50 дБ. Этого достаточно, чтобы интуитивно почувствовать масштаб проблемы, но не очень понятно, откуда берутся эти 40 – 50 дБ и почему такие потери вообще реалистично выдерживать.

В этой статье мы:

  • аккуратнее разберёмся, из каких слагаемых складываются потери в канале “Земля–спутник”;

  • рассмотрим пару простых, но конкретных примеров, чтобы перейти от абстрактных децибел к понятному “сколько ключа мы успеем набрать за пролёт”;

  • подробно пройдёмся по современным спутниковым проектам в квантовой связи: от китайского Micius до европейского EAGLE-1 и американского Boeing Q4S.

Откуда берутся потери в канале Земля–спутник

Можно задаться вопросом: “А куда вообще деваются фотоны по дороге в космос?” Если упростить картинку до самого необходимого, полный коэффициент пропускания канала можно записать в виде:

\eta = \eta_\text{geom} \cdot \eta_\text{atm} \cdot \eta_\text{turb} \cdot \eta_\text{opt} \cdot \eta_\text{det}

В децибелах это превращается в удобную сумму:

L = L_\text{geom} + L_\text{atm} + L_\text{turb} + L_\text{opt}+ L_\text{det}

где L=-10 \lg{η}
Ниже разберём каждое слагаемое отдельно.

Геометрические потери: луч просто «расползается»

Первый и самый очевидный источник потерь — геометрический. Любой реальный лазерный пучок имеет конечную расходимость θ и на расстоянии R характерный радиус пучка можно оценить как

w \approx \theta R

Наземный телескоп диаметром D перехватывает только площадь\pi \left(\frac{D}{2}\right)^2
из общей площади пятна \pi \omega^2. Если D≪2ω, то доля мощности, попадающая в приёмник:

\eta_\text{geom} \approx \left(\frac{D}{2 \theta R}\right)^2

Соответственно, геометрические потери в децибелах превращаются в формулу:

L_\text{geom} = -10 \log_{10} \eta_\text{geom}

Это можно просто интерпретировать даже интуитивно: чем дальше спутник на расстояние R, чем хуже “собран” луч (больше \theta) и чем меньше диаметр приёмного телескопа D, тем больше потерь возникает только из-за геометрии.
Строго говоря, реальный лазерный пучок имеет гауссово распределение интенсивности, и корректная формула для собираемой мощности включает интеграл по этому пятну. Однако в нашем режиме (низкая орбита, пятно на приёмнике значительно больше апертуры телескопа) гауссовая модель практически совпадает с простым отношением площадей — различие составляет доли децибела. Поэтому для нашей оценки используем именно эту форму.

Атмосферные потери: поглощение и рассеяние

Вторая группа потерь связана с атмосферой: молекулы воздуха, аэрозоли, туман, облака. В идеальных условиях (чистое, сухое небо) затухание на “квантовых” длинах волн (около 800–1550 нм) может быть всего 1 – 3 дБ. Эта оценка справедлива для оптимальных условий: ясная ночь и спутник достаточно высоко над горизонтом. В строгих моделях атмосферные потери зависят от зенитного угла и быстро растут при низких проходах, но для оценки вблизи максимума пролёта 1–3 дБ — реалистичный порядок величины.

Но нельзя забывать:

  • при малых углах возвышения путь через атмосферу удлиняется, и потери растут;

  • облака и туман легко добавляют десятки децибел или просто полностью обрывают связь;

  • аэрозоли в городе дают дополнительный вклад по сравнению с горной станцией.

Поэтому реальные системы планируют сеансы в относительно узких окнах видимости, при приемлемой погоде и достаточно большом угле подъёма спутника над горизонтом.

Турбулентность и трекинг

Дальше – интереснее: атмосфера – турбулентная среда, а турбулентность приводит к:

  • флуктуациям интенсивности;

  • случайному смещению центра пятна;

  • искажению фронта волны.

В результате мощность на приёмнике флуктуирует во времени, а эффективная доля собранного света уменьшается. Для восходящего канала (uplink – Земля\rightarrowспутник) ситуация хуже: пучок сначала проходит самые “загрязненные” слои у поверхности – турбулентность в них сильнее, и уже затем летит в космос; для нисходящего канала (downlink – Спутник \rightarrow Земля) пучок преодолевает большую часть пути в вакууме и только в конце проходит через турбулентный слой.

К этому добавляются так называемые ошибки наведения и трекинга:

  • ограниченная точность ориентации платформы спутника;

  • дрожание и ветровые нагрузки на наземный телескоп;

  • задержки в системе обратной связи “камера — приводы”.

Совокупно эти эффекты вносят ещё несколько децибел потерь – те самые, которые мы обозначили за L_{track}. Здесь мы объединяем в один член сразу несколько эффектов: расширение пучка из-за турбулентности, дрейф его центра и ошибки наведения. В строгой оптической модели эти вклады считаются раздельно и могут заметно флуктуировать во времени, давая разброс потерь в диапазоне десятков децибел. Для наглядности мы используем усреднённую оценку, которая хорошо передаёт общий масштаб проблемы.

Оптика и детекторы

Предположим, что фотон «прошел через огонь, воду и медные трубы» - преодолел геометрию, атмосферу и турбулентность. На этом сложности не заканчиваются: дальше фотон необходимо:

  • провести через зеркала, линзы, фильтры и волокна внутри приёмника (каждый элемент вносит свои проценты потерь);

  • зарегистрировать однофотонным детектором со своей квантовой эффективностью;

  • отделить от шумов и тёмных счётов детектора. Так в сумме «набегает» ещё несколько децибел потерь.

От слов к делу: сколько ключа можно набрать за пролёт

Чтобы перестать абстрактно жонглировать децибелами, рассмотрим два упрощённых числовых примера. Цифры здесь не претендуют на строгое соответствие конкретному аппарату, но дают правильный порядок оценки величин.

Пример 1. Канал Спутник Земля

Рассмотрим низкоорбитальный спутник на высоте R=500 км, который посылает к наземной станции квантовые импульсы. В реальности расстояние и угол подъёма спутника меняются в течение пролёта, и потери в начале и конце сеанса выше. Чтобы не усложнять картину динамикой траектории, далее считаем параметры для оптимального участка пролёта — именно там достигается максимальная скорость генерации ключа и получается корректный порядок величин.
Возьмём следующие оценочные параметры:

  • расходимость пучка: \theta=\text{10 мкрад};

  • диаметр приёмного телескопа на Земле: D=\text{0,3 м};

  • атмосферные потери в хорошую погоду и при приличном угле: L_{atm}=\text{3 дБ};

  • потери на трекинге и турбулентности: L_{turb}=\text{4 дБ};

  • оптика + детекторы: L_{opt}+L_{det}=\text{4 дБ}.

Рассчитаем геометрические потери:

L_\text{geo} \approx 20 \lg\!\left(\frac{2 \theta R}{D}\right)= 20 \lg\!\left(\frac{2 \cdot 10^{-5} \cdot 5 \cdot 10^{5}}{0{,}3}\right)\approx 30{,}5\ \text{дБ}

Тогда суммарные потери:

L = 30{,}5 + 3 + 4 + 4 = 41{,}5\ \text{дБ}

Тогда коэффициент пропускания канала по мощности:

\eta = 10^{-\frac{L}{10}}\approx 7{,}1 \times 10^{-5}

Теперь посмотрим на статистику фотонов. Пусть спутник посылает импульсы с частотой f=100 МГц, а среднее число фотонов в импульсе составляет \mu=0,5 (то есть ослабленный лазер). За одну минуту (t=60с) пролёта получим:

N_\text{send}= f \cdot t \cdot \mu= 100 \cdot 10^{6} \cdot 60 \cdot 0{,}5= 3 \cdot 10^{9}

Тогда ожидаемое число детектированных фотонов:

N_\text{det}= N_\text{send} \cdot \eta= 3 \cdot 10^{9} \cdot 7{,}1 \cdot 10^{-5}= 2{,}1 \cdot 10^{5}

В результате такой оценки получили, что за одну минуту пролёта происходит порядка 200000 срабатываний детекторов. С учётом необходимости «отбрасывания» части бит из-за несовпадения базисов, ошибок и постобработки (коррекция ошибок, усиление секретности) из этого набора можно получить десятки тысяч бит ключа. Такую величину уже можно считать реалистичной и приемлемой для практических систем.

Пример 2. Канал Земля Спутник

Теперь посмотрим на тот же порядок потерь под другим углом.

Условия такие: работаем в режиме Земля-спутник, геометрия – та же, но из-за турбулентности в нижних слоях атмосферы добавляется, скажем, ещё около 15 дБ потерь, что приведет к увеличению общих потерь до 56,6 дБ. Эта цифра не является универсальной константой: реальные дополнительные потери в восходящем канале сильно зависят от состояния атмосферы и угла подъёма и могут колебаться в широких пределах

Если мы отправим, как и в первом примере, одиночные фотоны с частотой 100 МГц, то ожидаемое число сработавших детекторов на спутнике составит несколько тысяч.

В менее благоприятных условиях (низкий угол подъёма, усиленная турбулентность) дополнительные потери в восходящем канале легко достигают 20–30 дБ, и тогда из сотен миллионов посылок за пролёт могут доходить уже сотни фотонов. Звучит пугающе, но для квантовой криптографии это всё ещё рабочий режим.

Сравнение с оптоволоконным каналом

Для сравнения возьмём стандартное оптоволокно с потерями 0,2 дБ/км На расстоянии 1000 км получаем:

L_{fiber} = 0{,}2 \cdot 1000 = 200\ \text{дБ}

Если мы снова отправим 100 МГц фотонов, то ожидаемое число «финалистов» составит:

N_{det} = 10^{8} \cdot 10^{-20} = 10^{-12}

Иначе говоря, вероятность того, что хотя бы один фотон дойдёт до приёмника, практически нулевая. В этом кроется причина того, что протоколы квантового распределения ключа могут обеспечивать сверхдальнюю передачу по волокну только через цепочки доверенных узлов, а не напрямую.
Тем не менее, с точки зрения потерь канала земля-спутник на 500 км (56 дБ) всё ещё в разы лучше, чем прямой волоконный канал на 1000 км (200 дБ). Космос, при всех его проблемах, оказывается мягче к фотонам, чем волоконная линия связи такой длины. К слову, один из рекордов квантового распределения ключей по оптоволокну без доверенных узлов составляет около 1000 км. Он был получен в схеме с промежуточной измерительной станцией, которая не требует доверия: два волоконных плеча длиной примерно 500 км соединяют Алису и Боба с центральной станцией Чарли

Кто уже строит квантовую связь из космоса

Теперь, когда мы примерно понимаем, откуда берутся десятки децибел потерь и почему они не убивают идею на корню, возникает естественный вопрос: кто уже реализует спутниковую квантовую связь на практике, а не только на уровне концепций и презентаций?

За последние годы в этой области сформировались несколько явных лидеров — Китай, Европа и США, а также ряд университетских и технологических консорциумов, использующих малые спутники для отработки ключевых компонентов.

Китай: от научного прорыва к коммерческим спутникам

Китайский спутник Micius (официально — Quantum Experiments at Space Scale, QUESS) стал первой в мире специализированной платформой для квантовых экспериментов в космосе. Он был запущен в 2016 году на солнечно-синхронную орбиту высотой около 500 км.
В рамках этой миссии впервые были продемонстрированы:

  • квантовое распределение ключей между спутником и Землёй (Liao et al., Nature, 2017);

  • распределение запутанности на расстояние более 1200 км между наземными станциями (Yin et al., Science, 2017);

  • квантовая телепортация состояния с Земли на спутник (Ren et al., Nature, 2017);

  • межконтинентальная защищённая связь (Пекин–Вена) с использованием спутникового QKD (Liao et al., Phys. Rev. Lett., 2018).

С инженерной точки зрения Micius был именно лабораторией на орбите: сложной, дорогой и нацеленной прежде всего на демонстрацию принципиальной реализуемости.
Следующим шагом стал переход от экспериментов к сервису. В 2023–2025 годах Китай начал развёртывание серии микроспутников Jinan-1, позиционируемых уже как элементы коммерческой инфраструктуры квантовой связи. По заявлениям разработчиков, Jinan-1 обеспечивает устойчивую квантовую связь между спутником и наземными станциями и интегрируется с протяжённой наземной квантовой сетью.
Обзоры и официальные сообщения:

Таким образом, если Micius был доказательством принципа, то Jinan-1 — это попытка сделать спутниковую квантовую связь регулярной услугой.

Малые спутники и университетские миссии: SpooQy-1 и SPEQS

Параллельно с «большими» спутниками развивается направление CubeSat-миссий, цель которых — проверить, можно ли уместить квантовую оптику в компактную и дешёвую платформу.
Хороший пример — сингапурский SpooQy-1, 3U CubeSat, разработанный в Centre for Quantum Technologies (CQT). Его полезная нагрузка — компактный источник поляризационно-запутанных фотонов SPEQS (Small Photon-Entangling Quantum System).
Основные задачи миссии:

  • проверить, выдержит ли квантовая оптика запуск и условия орбиты;

  • показать стабильную генерацию запутанных пар на протяжении месяцев;

  • отработать технологии миниатюризации квантовых источников.

Миссия оказалась успешной: спутник стабильно генерировал запутанные фотоны, а параметры запутанности подтверждались орбитальными измерениями.

Главный вывод миссии SpooQy-1 — сложную квантовую оптику действительно можно уместить в формат малых и относительно дешёвых спутников, что критично для будущих группировок.

Европа: EAGLE-1 и квантовый суверенитет ЕС

Европейский проект EAGLE-1 — это первый крупный шаг ЕС к собственной спутниковой инфраструктуре квантовой связи. Миссия реализуется Европейским космическим агентством (ESA) в рамках инициативы EuroQCI.

Ключевые цели EAGLE-1:

  • демонстрация спутника как доверенного узла КРК;

  • интеграция космического сегмента с наземными волоконными квантовыми сетями Европы;

  • поддержка правительственной и критически важной инфраструктуры ЕС.

Технический обзор системы EAGLE-1 представлен в статье В отличие от Micius, который был научным экспериментом, EAGLE-1 изначально проектируется как элемент будущей операционной инфраструктуры.

США: Boeing Q4S и гибрид квантовых технологий

Американский проект Q4S (Quantum-4-Space), разрабатываемый Boeing, нацелен не только на квантовое распределение ключей, но и на более широкий спектр квантовых технологий.
Планируемые задачи платформы:

  • спутниковая квантовая связь для нужд обороны;

  • эксперименты по распределению и перебросу запутанности;

  • демонстрация квантовых сенсоров (гироскопы, акселерометры, магнитометры).

Q4S иллюстрирует американский подход: спутник рассматривается как универсальная платформа для квантовых технологий, а не только для связи.

Технологические демонстраторы: детекторы, запутанность и радиация

Отдельную нишу занимают миссии, нацеленные на проверку отдельных компонентов:

  • SEAQUE (NASA) — эксперимент на МКС по генерации запутанности и восстановлению параметров однофотонных детекторов после радиационного повреждения

  • CAPSat — CubeSat-миссия по отжигу SPAD-детекторов на орбите

  • TAU-SAT3 (Израиль) — наноспутник Тель-Авивского университета, рассматриваемый как шаг к будущей квантовой оптической связи

Хотя эти проекты сами по себе не обеспечивают квантовую связь, они закрывают критически важные технологические вопросы — надёжность детекторов, влияние радиации и стабильность квантовых источников.

А что в России?

Важно отметить, что для России спутниковая квантовая связь — это не только планы на будущее, но и уже полученный практический опыт работы с орбитальным квантовым спутником.

В 2023–2024 годах российская наземная оптическая станция, развернутая в Подмосковье, приняла квантовый сигнал с китайского спутника Micius. В рамках совместных сеансов был реализован канал квантового распределения ключей между российской и китайской сторонами, а полученные квантовые ключи использовались для шифрования и передачи изображений между наземными станциями. Эксперимент продемонстрировал, что российская наземная инфраструктура и системы приёма/трекинга способны работать с реальным спутниковым квантовым каналом.

Этот опыт логично рассматривается как предварительный этап перед развёртыванием собственного космического сегмента. В начале 2025 года были опубликованы планы создания национальной спутниковой системы квантовой связи, рассчитанной на интеграцию с уже существующими наземными квантовыми сетями и ориентированной на практические задачи защищённой связи. В качестве целевого горизонта называется период до 2030 года.

Таким образом, российская траектория развития в этой области выглядит не как старт «с чистого листа», а как движение от совместных орбитальных экспериментов и отработки наземной инфраструктуры к созданию собственной спутниковой системы квантовой связи. В случае успешной реализации заявленных планов это позволит перейти к гибридной архитектуре «волокно + космос», аналогичной тем, которые сегодня формируются в Китае и Европе.

Комментарии (0)