Российская матмодель оптимизировала спутниковую квантовую связь

Ученые МФТИ, Университета МИСИС и Российского квантового центра получили математическую модель для быстрой оценки эффективности спутниковой квантовой связи. Расчеты на основе предложенной модели распределения ключей со спутника «Мо-Цзы» на созданную в России наземную станцию упростят и ускорят практическое моделирование квантового канала связи. Результаты представлены в международном научном журнале Entropy.

Традиционная криптография с открытым ключом шифрования основана на вычислительной сложности определенных математических функций. Технология квантового распределения ключей (КРК) позволяет организовать абсолютно защищенный канал связи, где информационная стойкость ключа шифрования гарантируется законами квантовой физики. 

КРК обладает рядом преимуществ. Во-первых, такой ключ невозможно взломать после процедуры квантового распределения ключей.  Это значит, что шифрование устойчиво к атакам компьютера любой мощности в будущем, в том числе квантового компьютера. Во-вторых, по количеству ошибок в ключе оказывается возможным обнаружить атаку перехвата и вовремя прекратить сеанс связи без утечки какой-либо информации.

Квантовое распределение ключей между двумя абонентами обычно происходит с использованием фотонов, которые передаются через оптические волокна или в свободном атмосферном пространстве. Оптоволокно ограничено пространством в сотни километров, мы не можем протянуть его через океаны, в отличие от орбитальных спутников, которые способны покрыть всю поверхность планеты, при минимальных потерях качества сигнала при этом. 

Спутниковая квантовая связь на больших расстояниях имеет значительное преимущество перед оптоволоконными линиями с точки зрения потерь в линии связи.  Это становится определяющим фактором для квантовых коммуникаций на масштабах планеты. 

Анализ канала связи между спутником и наземной станцией очень важен для эффективной спутниковой квантовой коммуникации. Особенно критично это для низкоорбитальных спутников: в силу короткого времени нахождения спутника в прямой видимости наземной станции для передачи сигнала и зависимости от погодных условий.

Коллектив ученых МФТИ, Университета МИСИС и Российского Квантового центра предложил полуэмпирическую модель квантового распределения ключей (КРК) между спутником и наземной станцией. Она позволит быстро оценивать эффективность уже спроектированных наземных станций и послужит для разработки и анализа группировки спутников для квантового распределения ключей.

«В отличие от других чисто теоретических моделей, наш полуэмпирический подход основан на коэффициентах атмосферного затухания, общих для наземных станций, которые расположены в средних широтах. Данные коэффициенты, характеризующие атмосферу с точки зрения проницаемости светом, были получены экспериментально как для ясных, так и для туманных погодных условий при помощи разработанной наземной станции. Проверка модели и феноменологических параметров была проведена с использованием опубликованных экспериментальных данных со спутника «Мо-Цзы». Используя нашу модель для реальных наземных станций на базе телескопов с апертурой 300 мм и 600 мм, мы смоделировали скорость генерации секретного ключа, получаемого в ходе сеанса КРК со спутником «Мо-Цзы», - рассказал аспирант ЛФИ МФТИ, научный сотрудник РКЦ Александр Хмелев.

Коэффициент атмосферного затухания был получен на основе наших измерений интенсивности излучения звезд на длине волны 850 нм как для ясного, так и для туманного неба. Они проводились при помощи разработанной наземной станций на базе телескопа 600 мм в режиме счета фотонов, отмечают авторы. 

«Мы работаем над возможностью глобального распределения квантового ключа по всей поверхности земного шара с помощью спутников с оптическими квантовыми каналами связи. Уже разработали наземные приемные станции для этого вида коммуникаций.   Для создания спутников с квантовой линией связи важно уметь правильно рассчитывать параметры спутника, приемной наземной станции и скорости передачи данных. Предложенная модель квантового канала связи позволит предсказать скорость распределения ключа. Это поможет при создании нашего спутника в будущем», - добавил Владимир Курочкин, заведующий лабораторией квантовых коммуникаций Университета МИСИС.

Таким образом, исследователи разработали практический метод оценки эффективности наземных станций, которые являются одним из ключевых элементов будущих квантовых сетей. Разработанная модель будет полезна для быстрой оценки спутниковых каналов связи и анализа будущих квантовых систем «Спутник-Земля».