Есть мнение, что спутниковые квантовые сети — самый эффективный способ развертывания глобальных систем распределения криптографических ключей. Рассказываем, кто уже работает в этом направлении, и говорим о потенциальных проблемах такого подхода.
/ Unsplash / NASA
Квантовая сеть — это система передачи данных, работа которой подчиняется законам квантовой механики. Обмен информацией происходит с помощью кубитов — поляризованных фотонов, транслируемых по каналу оптической связи. Технология является важным компонентом систем распределения криптографических ключей. В такой системе отправитель и получатель имеют открытый оптический канал связи и передают друг другу ключ для шифрования пакетов.
Безопасность подключения обеспечивают фундаментальные законы физики. Фотоны очень «хрупкие» и разрушаются при считывании. По этой причине квантовые сети практически невозможно «подслушать» — попытка MITM-атаки сразу очевидна принимающей стороне.
Ряд инженеров убежден, что спутниковые квантовые сети — это самый удобный и экономически целесообразный способ построения глобальных систем распределения криптографических ключей. Но сперва поговорим о другом перспективной технологии — квантовых повторителях.
Фотоны поглощаются средой из-за помех, поэтому их сложно транслировать на большие расстояния (около 100 км). Задача квантовых повторителей — предотвратить потери при передаче частиц по оптоволокну. Сегодня такие системы разрабатывают нидерландские инженеры. Они строят тестовую 10-км сеть между Гаагой и городом Делфт. Также в этой сфере работают японские физики.
Но квантовые повторители обладают рядом недостатков. Они позволяют соединить лишь две точки, между которыми протянут оптоволоконный кабель. Передавая данные по цепочке, повторители их декодируют, а затем снова кодируют — такой подход может привести к утечкам в случае компрометации узла. Производство подобных устройств также требует дорогостоящих магнитов и редких минералов. При этом квантовые повторители находятся на самых ранних этапах разработки и об их практическом применении в широких масштабах речи пока не идет.
/ Unsplash / Shahadat Rahman
Поэтому некоторые инженеры работают над альтернативными подходами к построению квантовых сетей и систем распределения криптографических ключей на их основе. Группа физиков из университетов США, Японии и Китая посчитала, самым эффективным способом будет метод с разверткой группы спутников на орбите, передающих фотоны на землю посредством лазеров. В своей научной работе инженеры приводят расчеты и результаты симуляций, которые показали, что оптимальный вариант — развертывание 400 спутников на высоте в 3 тыс. километров (стр.10).
Такой подход позволит пересылать ключи на расстояние до 7,5 тыс. километров — например, от Лондона до Мумбаи. Для квантовых повторителей подобные показатели пока недоступны — их нужно устанавливать на расстоянии до 200 км друг от друга.
В 2016-м китайские инженеры запустили спутник квантовой связи. Спустя год им удалось передать кубит на расстояние свыше 1200 км. Аппарат висел на 500-км орбите и транслировал фотоны с помощью лазера на принимающую станцию в Тибете. В 2018 году технологию уже испытали на практике. Китайские ученые провели 75-минутную видеоконференцию с коллегами из Австрийской академии наук по защищенному каналу.
/ Unsplash / Kevin Quezada
Космическими квантовыми проектами занимаются и физики в Германии. Еще в 2017 году они установили, что для передачи и телепортации «запутанных» фотонов можно использовать обычные спутники связи. Примерно в то же время специалисты из Общества научных исследований имени Макса Планка инициировали разработку спутника, заточенного под квантовую криптографию. В планах — спроектировать особый бортовой компьютер для обработки сигналов.
Большое количество специализированных квантовых спутников может создать дополнительные неудобства. Есть мнение, что первые спутники Starlink, запущенные компанией SpaceX, уже мешают вести наблюдения с Земли. Также речь идет о потенциальном переизбытке мусора на околоземной орбите. В Федеральной торговой комиссии США (FTC) предложили разработать ряд документов, которые позволят урегулировать эту проблему, но, скорее всего, этот вопрос не решить лишь бумажными нормативами. Нужны новые системы для очистки орбиты и инструменты для отслеживания обломков и спутников в космосе.
/ Unsplash / NASA
Что такое квантовые сети
Квантовая сеть — это система передачи данных, работа которой подчиняется законам квантовой механики. Обмен информацией происходит с помощью кубитов — поляризованных фотонов, транслируемых по каналу оптической связи. Технология является важным компонентом систем распределения криптографических ключей. В такой системе отправитель и получатель имеют открытый оптический канал связи и передают друг другу ключ для шифрования пакетов.
Безопасность подключения обеспечивают фундаментальные законы физики. Фотоны очень «хрупкие» и разрушаются при считывании. По этой причине квантовые сети практически невозможно «подслушать» — попытка MITM-атаки сразу очевидна принимающей стороне.
Причем здесь космос
Ряд инженеров убежден, что спутниковые квантовые сети — это самый удобный и экономически целесообразный способ построения глобальных систем распределения криптографических ключей. Но сперва поговорим о другом перспективной технологии — квантовых повторителях.
Фотоны поглощаются средой из-за помех, поэтому их сложно транслировать на большие расстояния (около 100 км). Задача квантовых повторителей — предотвратить потери при передаче частиц по оптоволокну. Сегодня такие системы разрабатывают нидерландские инженеры. Они строят тестовую 10-км сеть между Гаагой и городом Делфт. Также в этой сфере работают японские физики.
Но квантовые повторители обладают рядом недостатков. Они позволяют соединить лишь две точки, между которыми протянут оптоволоконный кабель. Передавая данные по цепочке, повторители их декодируют, а затем снова кодируют — такой подход может привести к утечкам в случае компрометации узла. Производство подобных устройств также требует дорогостоящих магнитов и редких минералов. При этом квантовые повторители находятся на самых ранних этапах разработки и об их практическом применении в широких масштабах речи пока не идет.
О чем еще мы пишем в блоге на Хабре
/ Unsplash / Shahadat Rahman
Поэтому некоторые инженеры работают над альтернативными подходами к построению квантовых сетей и систем распределения криптографических ключей на их основе. Группа физиков из университетов США, Японии и Китая посчитала, самым эффективным способом будет метод с разверткой группы спутников на орбите, передающих фотоны на землю посредством лазеров. В своей научной работе инженеры приводят расчеты и результаты симуляций, которые показали, что оптимальный вариант — развертывание 400 спутников на высоте в 3 тыс. километров (стр.10).
Такой подход позволит пересылать ключи на расстояние до 7,5 тыс. километров — например, от Лондона до Мумбаи. Для квантовых повторителей подобные показатели пока недоступны — их нужно устанавливать на расстоянии до 200 км друг от друга.
Кто уже реализует космические проекты
В 2016-м китайские инженеры запустили спутник квантовой связи. Спустя год им удалось передать кубит на расстояние свыше 1200 км. Аппарат висел на 500-км орбите и транслировал фотоны с помощью лазера на принимающую станцию в Тибете. В 2018 году технологию уже испытали на практике. Китайские ученые провели 75-минутную видеоконференцию с коллегами из Австрийской академии наук по защищенному каналу.
/ Unsplash / Kevin Quezada
Космическими квантовыми проектами занимаются и физики в Германии. Еще в 2017 году они установили, что для передачи и телепортации «запутанных» фотонов можно использовать обычные спутники связи. Примерно в то же время специалисты из Общества научных исследований имени Макса Планка инициировали разработку спутника, заточенного под квантовую криптографию. В планах — спроектировать особый бортовой компьютер для обработки сигналов.
Кто выступает против
Большое количество специализированных квантовых спутников может создать дополнительные неудобства. Есть мнение, что первые спутники Starlink, запущенные компанией SpaceX, уже мешают вести наблюдения с Земли. Также речь идет о потенциальном переизбытке мусора на околоземной орбите. В Федеральной торговой комиссии США (FTC) предложили разработать ряд документов, которые позволят урегулировать эту проблему, но, скорее всего, этот вопрос не решить лишь бумажными нормативами. Нужны новые системы для очистки орбиты и инструменты для отслеживания обломков и спутников в космосе.
Материалы о сетях и протоколах в блоге VAS Experts: