Исследователи в Китае достигли важной вехи в области распределения квантовых ключей (QKD) между космосом и землей, продемонстрировав функциональный терминал QKD, масса которого вдвое меньше, чем у предыдущей системы. После отправки нового терминала в космос на орбиту Земли на борту космической лаборатории «Тяньгун-2» ученые из Хэфэйская национальная лаборатория и Университет науки и техники Китая (USTC) провела серию из 19 экспериментов в период с 23 октября 2018 года по 13 февраля 2019 года, успешно передав квантовые ключи между спутником и четырьмя наземными станциями в течение 15 отдельных дней.
Как и другие терминалы QKD, устройство в этом исследовании полагается на квантовое поведение света для создания ключей шифрования, необходимых для защиты данных. «КРК использует фундаментальную единицу света — отдельные фотоны — для кодирования информации между двумя удаленными пользователями», — объясняет Цзянь-Вей Пан, физик из USTC и соавтор статьи об исследовании в Оптика. «Например, передатчик может случайным образом кодировать информацию о состояниях поляризации фотонов, таких как горизонтальная, вертикальная, линейная +45° или линейная –45°. В приемнике может быть выполнено аналогичное декодирование состояния поляризации, и могут быть получены необработанные ключи. После исправления ошибок и усиления конфиденциальности можно извлечь окончательные защищенные ключи».
Перспективная безопасность
Новый облегченный терминал QKD — хорошая новость для пользователей с высокими требованиями к безопасности. Хотя традиционная криптография с открытым ключом в настоящее время является одним из лучших средств шифрования, она основана на том факте, что классические компьютеры просто не могут решить определенные проблемы за разумное время. Однако эти непростые математические функции работают только в том случае, если хакер использует классический компьютер. Как указывает Пан, квантовый компьютер будущего может просто использовать Алгоритм Шора взломать даже лучшие современные методы криптографии.
Если квантовые компьютеры могут взломать классическое шифрование, одним из возможных решений будет использование вместо него квантового шифрования, когда это применимо. «QKD обеспечивает безопасное решение проблемы обмена ключами, — говорит Пан. «Квантовая теорема о запрете клонирования утверждает, что неизвестное квантовое состояние невозможно надежно клонировать. Если подслушиватель попытается подслушать в КРК, он неизбежно внесет помехи в квантовые сигналы, которые затем будут обнаружены пользователями КРК».
Пол Квиат, физик из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн, США, не участвовавший в исследованиях, добавляет, что любые атаки на КРК должны производиться во время передачи. «В этом смысле QKD иногда называют «защитой от будущего» — не имеет значения, какую вычислительную мощность какой-либо противник разовьет через 10 лет (что имело бы значение для криптографии с открытым ключом); все, что имеет значение, — это возможности перехватчика при первоначальном распространении квантового ключа», — говорит Квиат, который возглавляет отдел квантовых коммуникаций at Q-СЛЕДУЮЩИЙ, исследовательский консорциум, занимающийся проблемами квантовой информации.
Ограничение дневного света
В то время как предыдущая работа QKD проводилась с другим устройством на спутнике Micius, в последнем исследовании исследователи смогли уменьшить массу терминала за счет интеграции полезной нагрузки QKD с другими системами, такими как управляющая электроника, оптика и телескопы. Это большой шаг вперед, но члены команды Hefei-USTC еще не закончили. Одна из проблем, которую они упоминают в своей статье, заключается в том, что в настоящее время они не могут запускать терминал в течение дня. Это связано с тем, что рассеяние солнечного света создает фоновый шум, который на пять-шесть порядков больше, чем в экспериментах, проводимых ночью. Тем не менее, Пан и его коллеги работают над такими технологиями, как оптимизация длины волны, спектральная фильтрация и пространственная фильтрация, чтобы обеспечить работу КРК дневного света.
Аппаратно-независимая QKD приближает невзламываемый квантовый Интернет
Пан заявляет, что у команды большие планы, кульминацией которых, мы надеемся, станет создание глобальной квантовой сети, интегрированной со спутником и землей, которая сможет предоставлять услуги пользователям по всему миру. После успеха этой работы команда приступит к созданию группировки квантовых спутников, состоящей из нескольких низкоорбитальных спутников, спутника со средней и высокой орбитой и наземных волоконно-оптических сетей QKD. «Мы думаем, что наша работа внесет свой вклад в привлекательную область исследований по созданию оптимальной группировки спутников», — говорит Пан.
