Вдохновляющая атмосфера

Специалисты инжинирингового центра квантовых коммуникаций компании РЖД, расположенного в кластере «Ломоносов», успешно провели ряд испытаний системы атмосферной квантовой связи. Полученные результаты помогают оценить перспективы использования оборудования, которое выпускают российские производители. 

Суть технологии атмосферной квантовой связи (АКС) – квантовое распределение ключей (КРК) между двумя объектами с использованием оптического излучения. Канал реализуется через открытое атмосферное пространство и сочетает преимущества КРК, которое обеспечивает защиту данных, и оптической беспроводной связи. Его можно использовать в тех случаях, когда проложить оптоволокно невозможно. Например, для связи с беспилотным транспортом, защищенной передачи данных между объектами в городской застройке, на участках со сложным рельефом. Одно из важнейших применений атмосферной квантовой связи – защита управляющих каналов и каналов передачи данных для личного и общественного транспорта. Технология может обеспечить необходимый уровень защиты от взлома и перехвата данных. Это необходимо для работы беспилотников, умных дорог, безопасного обмена данными между транспортными системами и инфраструктурой.

Устройства, необходимые для реализации канала АКС – оптические квантовые генераторы, модули регистрации, детекторы фотонов – в России производят несколько коммерческих предприятий и научно-исследовательских учреждений (МГУ, МИСиС, ИТМО и др.). Также ведется разработка оборудования, которое будет генерировать и принимать квантовые ключи на подвижных объектах.

Предварительно специалисты изготовили макет системы для атмосферной связи, который позволил убедиться, что технология реализуема, а система может работать на дистанциях порядка 30 – 50 м. 

«С точки зрения конструкции макет достаточно простой, – рассказывает заместитель начальника Центра технологий квантовых коммуникаций Андрей Смирнов. – Были сделаны коллиматоры, которые позволяют превратить излучение, идущее по волокну, в оптический канал, а затем снова собрать в волокно. Потом мы пошли чуть дальше и с использованием макета проверили работоспособность квантового оборудования двух вендоров: "СМАРТС-Кванттелеком” и “ИнфоТеКС”. Мы построили систему КРК “точка-точка”, разорвали связь между двумя абонентами (условные Алиса и Боб) и добавили атмосферный канал. В обоих случаях система успешно функционировала – несмотря на то, что протоколы вендоров различаются. Это говорит о том, что в дальнейшем можно будет использовать оборудование разных производителей».

Со стороны «СМАРТС-Кванттелеком» в таких испытаниях важна сама проверка совместимости серийной системы КРК с атмосферным участком: квантовый и синхронизационный каналы выводятся из волокна в открытое пространство, проходят через телескопическую оптическую систему и затем снова заводятся в волокно. Это показывает, что атмосферный канал может быть встроен в привычную архитектуру КРК без принципиального изменения логики работы оборудования.

«В составе стенда, на котором проводились работы, использовались серийные изделия – сертифицированный программно-аппаратный комплекс ViPNet РУКС. Он входит в состав квантовой криптографической системы выработки и распределения ключей ViPNet QTS и является распределительным узлом квантовой сети, обеспечивающим выработку ключей между протяженными (до 100 км) участками квантовой сети. Эксперты «ИнфоТеКС» участвовали в настройке стенда», – сообщила пресс-служба компании «ИнфоТеКС».

У «СМАРТС-Кванттелеком» задел по атмосферному каналу связан не только с участием в испытаниях ЦТКК: в продуктовой линейке компании уже заявлена поддержка распределения ключей по атмосферной линии через телескопическую систему на расстоянии до 50 м. Такой подход позволяет рассматривать оборудование компании как основу для гибридных решений, где волоконный участок квантовой сети дополняется коротким оптическим каналом в свободном пространстве.

Основное преимущество атмосферной квантовой связи, помимо безопасности, – мобильность. Технология обеспечивает квантовую защиту для подвижных объектов – автомобилей, самолетов, поездов, кораблей, тогда как наземная квантовая связь привязана к волоконно-оптическим линиям.

Главный вызов для АКС – влияние погодных условий. Для передачи данных с помощью оптического излучения атмосферный канал должен быть «чистым». То есть, например, турбулентность атмосферы, ливень или туман могут помешать непрерывной передаче квантовых ключей. Поэтому один из следующих шагов в совершенствовании технологии – разработка систем точного наведения и отслеживания для подвижных объектов.

«На первом этапе реализации проекта нам важна была принципиальная реализуемость технологии, – отмечает Андрей Смирнов. – Макет не подразумевал использования электроники, сложного ПО. Единственной трудностью была юстировка – трудоемкая ручная настройка оборудования, которая заняла большую часть времени, отведенного для испытаний». 

Следующим шагом стало создание образцов, в которых юстировка производится автоматически. Над ним работают специалисты НПК «СПП». Планируется, что к лету начнутся прикладные испытания опытных образцов.

В совместном лабораторном эксперименте «СМАРТС-Кванттелеком» и НПК «СПП», проведенном в феврале прошлого года, была проверена передача квантового канала и канала синхронизации через атмосферный канал длиной 30 м. Оптический путь был организован на оптическом столе с использованием зеркала, установленного на расстоянии 15 м; автоматическая система наведения не применялась, юстировка выполнялась вручную. По результатам эксперимента потери составили около 7 дБ в квантовом канале и около 10 дБ в канале синхронизации, скорость генерации просеянного ключа — около 3000 бит/с, QBER — около 2 %. В отчете сделан вывод, что такой воздушный канал при ручной юстировке телескопической системы не привел к негативным эффектам в работе системы КРК, потери находились в пределах требований системы.

Отдельно в ходе этой работы оценивалось влияние излучения маяков, которые могут использоваться для автоматической подстройки и наведения оптической системы. Испытания показали, что излучение на длинах волн 780 и 830 нм способно вносить существенную засветку в квантовый канал, тогда как излучение на 520 и 633 нм влияния на работу системы КРК не оказало. Эти результаты важны для следующего этапа — выбора безопасной и технологически совместимой схемы автоматической юстировки атмосферного канала.

Цель проекта – не только использование атмосферных квантовых каналов, но и максимальная автоматизация безопасной передачи информации. «Технология особенно актуальна для беспилотных поездов: они обладают высоким уровнем автоматизации, большое количество данных нуждается в надежной защите, – отметил начальник Департамента квантовых коммуникаций РЖД Артур Глейм в интервью «РЖД ТВ». – Благодаря использованию квантового распределения ключей и атмосферной квантовой связи подвижной состав будет надежно защищен от попыток взлома».

Система будет устанавливаться на борт подвижного состава. По прибытии поезда в депо на обслуживание будет включаться беспроводной канал, происходить обмен квантовыми ключами. Затем канал выключается, поезд уезжает. Одна из главных задач на данный момент – обеспечить надежность функционирования таких систем.

Для «СМАРТС-Кванттелеком» это направление также выглядит как практический сценарий развития уже существующих решений КРК: атмосферный участок может рассматриваться не как замена волоконной квантовой сети, а как ее беспроводное продолжение там, где нужен защищенный обмен ключами с объектом без стационарного оптического ввода — например, на короткой «последней миле», в депо, на территории промышленного объекта или при подключении подвижной платформы.

В «ИнфоТеКС» проводятся инициативные исследования по экспериментальной адаптации волоконно-оптических систем КРК к атмосферному каналу передачи квантовых сигналов. Завершение испытаний опытных образцов системы КРК с атмосферным каналом намечено на 2026 год.

«По нашему мнению, АКС позволит реализовать подключение к сетям КРК «на последней миле», когда ввод оптоволокна в здание отсутствует или его прокладка сопряжена со значительными организационными и техническими трудностями, – отметил руководитель Центра научных исследований и перспективных разработок компании «ИнфоТеКС» Владимир Елисеев. – Также АКС может успешно использоваться на магистральных линиях для преодоления естественных преград (реки, горы, ущелья), где прокладка волоконно-оптической линии может представлять определенные сложности. Это позволит расширить рынок систем КРК для описанных примеров».  

В числе российских участников испытаний беспроводной квантовой криптографии – МТУСИ, QRate и «Мостком». В ходе эксперимента участники проекта успешно передали квантовый ключ на 180 и 3100 метров, подтвердив совместимость оборудования с лазерной связью при дожде, снеге, тумане и смоге.

Иллюстрации: ПРОквант