Масштабируемая спутниковая сеть для квантового распределения ключей на основе кубсата

Предмет исследования 

Авторы исследования проанализировали возможность внедрения систем квантового распределения ключей на сверхмалые спутники – кубсаты. Их габариты составляют 10 х 10 х 10 см, вес не превышает 1,3 кг. Кубсаты широко применяются для метеорологических исследований, изучения радиационного фона, с их помощью осуществляется спутниковая съемка. В ТГУ предложили монтировать на кубсатах системы квантового распределения ключей и создать из таких сверхмалых спутников полноценную группировку.

Актуальность

Ряд стран уже широко использует спутники в системах квантовой связи. Например, существует канадская сеть QEYSSat, сингапурская SpooQy-1, британские каналы QUARC и ROKS, немецкий QUBE. Отдельно выделен китайский проект со спутником «Мо-Цзы», который в 2021 году использовался для создания квантовой коммуникационной сети протяженностью 4,6 тыс. км. «ПРОквант» сообщал, что в начале 2024 года российские ученые благодаря этому спутнику установили канал квантовой связи между станциями в Звенигороде и городе Няньшане в КНР.

Авторы исследования отмечают, что в технологии спутникового квантового распределения ключей сами спутники играют роль доверенного узла и запоминают ключ, далее по открытому каналу оглашается результат побитового сложения ключей на спутники. В свою очередь, наземные станции из открытого ключа получают закрытый ключ. Он может применяться для защищенного сеанса связи.

Инновационность

Несмотря на то что данная технология специалистам давно известна, спутники в качестве доверенных узлов не применяются. Причина природная: на направленное оптическое излучение в атмосфере влияет целый ряд факторов, в околоземном космическом пространстве ключевой из них – это турбулентность.

Авторы исследования установили, что если для кодирования применять четыре поляризационных состояния одиночных фотонов из двух базисов, то влияние атмосферных явлений окажется минимальным.

Для спутникового квантового распределения ключей предлагается использовать сверхмалые спутники кубсаты, их вес не превышает 1,33 кг. На момент публикации статьи на орбите было уже 1,8 кубсатов, к 2030 году ожидается запуск еще 2 тыс. таких объектов.

Кубсаты для квантового распределения ключей предлагается оснащать системой точного наведения, оптическим трактом с передающим телескопом, лазером-маяком, системой квантового распределения ключей и телекоммуникационным блоком. Генерация квантовых состояний производится на длине волны 850 нм. Исправление ошибок и обмен другой информацией предлагается производить по обычным каналам связи.

Перспективы

Кубсаты доступны, позволяют использовать стандартные решения и сохранить пропускную способность сети. Их можно запускать в большом количестве, чтобы обеспечить работу системы. Все эти обстоятельства, по оценкам авторов исследования, значительно снижают риски и затраты для отработки технологии и открывают широкие возможности для ее применения.

Фото: Shutterstock/FOTODOM