Космический «ключ» МГУ: интервью с руководителем спутникового квантового проекта России

Сергей Павлович, зачем нужны квантовые спутники, если уже существуют наземные квантовые сети и атмосферные каналы, например для поездов и дронов? Какие принципиально новые возможности открывает космический сегмент?

Если говорить о России и оптоволоконной квантовой криптографии с распределением ключей – эта технология у нас давно и хорошо развита. Но оптоволокно проложено далеко не везде. Когда нужно распределять квантовые ключи между абонентами, куда не доходит оптоволокно, можно использовать спутник. Поэтому важный момент здесь – доступность либо недоступность оптоволоконных линий.

Какие новые возможности для государства открывает космический сегмент?

Сама по себе услуга вполне понятная: надо закрывать информацию с определенным грифом. Асимметричные способы шифрования для этого подходят не всегда, а квантовая криптография дает возможность шифровать сообщения часто и гарантированно секретно.

Существует мнение, что квантовая криптография не так уж и нужна, потому что, помимо RSA, который давно обещают взломать с помощью квантового компьютера, есть и другие алгоритмы. Как вы оцениваете вероятность скорого наступления Q-Day?

Может быть, он вообще никогда не наступит. Но важно отметить, что в существующей аппаратуре квантового распределения ключей (КРК), которая, кстати, сертифицирована, отсутствует уязвимость, связанная с человеческим фактором. А раз никакого человека нет, то и никакая утечка данных через системного администратора в принципе невозможна. Пока это основное преимущество систем КРК перед классическими аналогами.

На каком этапе сегодня находится технология спутниковой квантовой связи в мире и России? Это уже рабочий инструмент или эксперимент? Например, недавнее исследование показало, что эффективнее отправлять фотоны с Земли на спутник, а не наоборот. Не придется ли создавать принципиально новые детекторы?

Нет, конечно, надо отправлять фотоны из космоса – со спутника – на Землю. Потому что речь идет о 10 километрах атмосферного слоя, прилегающего к поверхности Земли, в котором присутствуют аэрозольные примеси, облака, осадки – словом то, на чем рассеивается свет. Если отправлять свет с Земли на спутник, на него ничего не дойдет. Все рассеется в нижних слоях атмосферы. Поэтому и выбрана обратная схема: фотоны отправляют на детекторы, расположенные на Земле.

Что касается уровня развития технологии в мире – это 9 из 10 по так называемой шкале уровней готовности. Китайцы в принципе все продемонстрировали: два спутника работают, они делают третий и четвертый, имеются устойчивые квантовые каналы связи с наземными терминалами. Кроме того, у них есть магистральная квантовая линия и локальные сети. Все работает. Никаких фундаментальных секретов там нет, все понятно, как делать. Нужно просто пройти этот путь от начала до конца, запуститься и показать, что технология работает.

По России уровень готовности – 5 из 10. У нас есть решения, отлаженные на небольших расстояниях. Согласно планам, мы должны запустить свой первый квантовый спутник в 2028 году.

У нас уже есть спутник, протоколы, наземные телескопы? Что-то требует доработки?

Нет, спутник лишь проектируется, как и наземный терминал. На Земле используется стандартный телескоп с монтировкой – электромеханической системой, которая обеспечивает ориентацию на спутник. Теперь к нему нужно присоединить квантовую аппаратуру для приема сигналов на однофотонном уровне, а также избавиться от помех. Мы хорошо знаем, как это сделать. Опять же, надо просто взять и сделать.

Эта технология российская или общемировая?

Общемировая. Мы были среди лидеров, разработчиков-пионеров в свое время, так что это все хорошо отлажено в нашей стране.

Назовите ключевые вехи развития квантовой спутниковой связи в мире и России. Где мы сегодня по сравнению с лидерами? Китай прошел путь от тяжелого «Мо-цзы» (600 кг) до микроспутника «Цзинань-1» (около 100 кг) с рекордной связью с Африкой.

Кроме Китая, подобные проекты развивают около 10 стран. Некоторые страны кооперируются – Франция и Италия, Франция и Австрия; и отдельно, и в кооперации работают Канада и Сингапур. Планируются новые запуски и долгосрочные программы.

Мы начали разработку в 2015 году и довольно эффективно шли. Нам очень помогал Фонд перспективных исследований – огромную организационную работу провели. В какой-то момент казалось, что через полгода мы уже запустимся. Все было готово, отставание от Китая составляло год-два – вполне допустимое. Но в итоге прошло еще 10 лет. Наш проект стартовал в конце 2024 года по заказу ОАО «РЖД».

Какие параметры у российского квантового спутника?

Объем – 16 юнитов, это примерно 20 литров. Вес намного меньше 100 кг. Мы пошли по другому пути и сразу выбрали формат кубсата. Наш аппарат будет гораздо меньше, гораздо легче, но, как следствие, и функционал будет урезан. Однако для первого демонстрационного запуска это вполне допустимо.

У нас есть один из основных компонентов системы – оборудование ориентации по солнцу и звездам. Есть все соответствующие датчики и маховики. Все работает, все должно получиться.

Можно ли ожидать коммерческую группировку квантовых спутников по аналогии со Starlink или «Рассвет»? И, если да, какое количество низкоорбитальных спутников можно считать оптимальным?

Мы надеемся, что демонстрационный запуск пройдет хорошо и работа продолжится. В техническом задании проекта есть очень важный раздел – разработка концепции группировки спутников. Проект концепции уже есть, мы будем представлять ее заинтересованным организациям, собирать замечания. В начале 2027 года планируем представить окончательную концепцию группировки на заседании Научного совета по квантовым технологиям РАН.

Какие основные ограничения у спутниковой квантовой связи?

Давайте начнем с реализации. Я ранее говорил, что мы знаем, как делать спутник для КРК из космоса, но это сложная задача. Квантовая криптография основана на передаче и приеме очень слабого сигнала. Надо сильно постараться, чтобы созданная аппаратура уверенно работала на расстояниях в несколько сотен километров, и нарабатывать соответствующий опыт. Прежде всего имеется много источников шума – от темнового шума детектора до атмосферных засветок. Все это мешает регистрировать очень слабые световые сигналы, из которых формируются биты ключа. Надо преодолеть эти ограничения и довести технологию приема однофотонных состояний до уровня, позволяющего уверенно регистрировать фотоны, посланные со спутника. Это что касается технической реализации.

Здесь я всегда привожу простую аналогию. В принципе можно разобрать «Мерседес», посмотреть, из каких деталей он сделан, изготовить такие же – технологически все ясно, но сделать это не так просто. Поэтому нужно брать и пробовать.

Однако на фундаментальном уровне проблем нет – раз китайцы сделали, значит, и у нас получится, тем более что в области квантовой оптики у России имеется очень хороший экспериментальный и теоретический задел благодаря нескольким всемирно известным научным школам.

Нам часто задают вопрос: зачем это нужно? Классические методы шифрования работают безупречно, пока нет достаточно мощного квантового компьютера. Используемое при этом асимметричное шифрование относительно дешево, но не гарантированно стойко. Квантовая криптография снимает проблему распределения ключей: вполне доступным оказывается более стойкий метод так называемого симметричного шифрования.

Поэтому сейчас основное, с чем мы боремся, – это скепсис людей, которые далеки от темы. Они спрашивают: зачем, если классика работает? Да, работает, но нужно готовиться к будущему, когда появится квантовый компьютер. Не говоря уже об атаке «собери сейчас – расшифруй потом» (HNDL – Harvest Now, Decrypt Later).

Сколько людей у вас работает над проектом спутниковой квантовой связи?

Ориентировочно человек 15 – плотно, в общей сложности – около 100.

Отмечу, что готовых кадров для такого проекта нет. Мы работаем в основном с нашими выпускниками, которые получили образование в МГУ. К нам в Центр приходят студенты первого курса и начинают работать в лабораториях. Шесть лет учебы, потом еще четыре года аспирантуры – через 10 лет получается толковый специалист. Взять выпускника из другого вуза мы, как правило, не готовы, хотя есть вузы, которые готовят по похожему профилю. Но чаще всего это наши коллеги, потому что в МГУ мы знаем, как учить и чему учить.

Есть и другой негативный аспект: когда приходят ребята, наслушавшиеся научно-популярных лекций, у них складывается впечатление, что научная работа – это просто: нажал кнопку – и готово. Но ничего даром не дается. Нужно время, чтобы понять, что это иллюзия.

То есть порог входа в квантовые технологии очень высокий?

Да. Нужно не только знать стандартные общие курсы высшего учебного заведения, но и пройти специальные курсы физики и математики, обязательно проходить практикумы и вести научную работу в лаборатории.

Изображение сгенерировано recraft

Фото: пресс-служба физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова