Развертывание национальной защищенной квантовой системы связи – Опыт Китая

В соответствии с Национальной программой научно-технических инноваций Китая к 2030 году государством предусмотрено создание защищенной квантовой системы связи на основе собственных научных достижений. Использование этой системы позволит обеспечить надежную защиту каналов связи между правительственными учреждениями, финансовыми институтами, промышленными компаниями и организациями.

Как устроена система сейчас

Планируется, что новая инфраструктура будет включать в себя магистральную оптоволоконную линию квантовой связи, объединенную с региональными локальными участками сети, спутниковую группировку и наземные приемо-передающие станции.

В настоящее временя Китай ввел в эксплуатацию первый участок ОЛКС Пекин-Шанхай протяженностью более 2000 км, который объединяет четыре внутригородские сети Пекина, Цзинаня, Хэфэя и Шанхая через 32 промежуточных доверенных узла приемо-передачи. Кроме того, на орбиту выведены два спутника и построены несколько наземных станций для связи с ними.

Этот сегмент сети в основном используют правительственные структуры, в том числе объекты обеспечения национальной обороны, а также более 150 организаций, среди которых государственные и местные банки, а также предприятия электроэнергетического комплекса. В дальнейшем по мере развития ОЛКС будет соединена с сетями квантовой связи предприятий стратегических отраслей промышленности и учреждений региональных администраций.

Как обеспечивается защита передачи данных

Обеспечение защиты данных, циркулирующих в новых коммуникационных сетях, происходит благодаря оборудованию, работающему в соответствии с алгоритмом метода квантового распределения ключей. Это позволяет двум сторонам, производящим обмен информацией по открытому каналу связи, создать общий случайный ключ, который известен только им, и использовать его для шифрования и расшифровывания сообщений.

Важным и уникальным свойством квантового распределения ключей является возможность обнаружить присутствие третьей стороны, пытающейся получить сведения о ключе. При этом третья сторона должна измерить передаваемые по каналу связи квантовые состояния, что ведет к их изменению и появлению аномалии квантовой системы. Если количество аномалий ниже определённого порога, то ключ будет создан, что гарантирует безопасность передачи данных.

Спутники, квантовая память или квантовый ретранслятор: как избежать затухания сигнала

Проблему затухания сигнала в оптоволоконных кабелях китайские специалисты решают путем использования двух подходов:

• построение промежуточных доверенных узлов приемо-передачи;
• развертывание спутниковой группировки для формирования QKD в свободном пространстве.

Так, в построенной ОЛКС Пекин-Шанхай квантовый ключ от начальной точки до конечной отображается в памяти доверенных узлов. В них производятся измерения фотонов, получение квантового ключа и дальнейшая его передача с помощью квантового ключа, сгенерированного на следующем пролете сети.

В дальнейшем ПДУ планируется заменить на узлы, не требующие доверия. С этой целью специалисты Университета науки и техники Китая ведут работы по созданию квантового повторителя (ретранслятора), который сможет принимать квантовую информацию и передавать ее дальше, не внося изменения в ее состояние.

Квантовый ретранслятор

По сути, квантовый повторитель – это небольшой квантовый компьютер специального назначения. Его действие основано на физическом принципе квантовой телепортации, т.е. передачи квантового состояния на расстояние при помощи разъединенной в пространстве запутанной пары фотонов и классического канала связи, при которой состояние разрушается в точке отправления при проведении измерения и воссоздается в точке приема.

На каждом этапе своей работы устройство должно быть способно улавливать и обрабатывать кубиты для исправления ошибок и хранить их достаточно долго, чтобы ими могла воспользоваться остальная часть сети.

Этот ретранслятор в будущем может стать ключевым элементом технологии квантового интернета.

Квантовая память

Китайские физики занимаются разработкой протокола прямой защищенной квантовой связи с использованием элементов квантовой памяти. В отличие от классических протоколов квантовой криптографии такая связь, осуществляемая с помощью запутанных фотонов и небольшого количества классических данных, не требует предварительного создания ключа и позволяет передавать сообщения напрямую без риска перехвата.

Квантовая память необходима для хранения запутанных состояний между проверкой и непосредственно передачей данных – она должна обеспечить хранение информации в течение сотен наносекунд. Однако экспериментальная реализация квантовой памяти с помощью QSDC является сложной задачей, поскольку для этого требуется хранить запутанные одиночные фотоны и устанавливать запутанность между разделенными частями памяти.

Пока китайским ученым удалось показать только основные элементы протокола:

• создание запутанных пар,
• проверка секретности канала связи,
• распределение запутанных фотонов и их хранение,
• шифрование информации.

Спутниковая связь

Подход использования спутников связи для QKD в свободном пространстве применяется в связи с тем, что потери фотонов в атмосфере и космосе относительно невелики по сравнению с поглощением в оптоволокне, поэтому космический аппарат может обеспечить квантовую связь на дистанции в тысячи километров.

В 2022 году Китай запустил спутник квантовой связи нового поколения «Цзинань-1», который может генерировать квантово-распределенные ключи со скоростью на два-три порядка быстрее, чем спутники предыдущего поколения. Кроме того, «Цзинань-1» может функционировать днем и ночью в любую погоду, генерируя одиночные фотоны и успешно запутывая их.

В рамках проекта по развитию и совершенствованию спутников связи для QKD в ближайшее время предусмотрено создание от трех до пяти небольших аппаратов массой менее 100 кг. Из них сформируют космическую группировку на солнечно-синхронной (гелиосинхронной) орбите на высоте 800 км, что позволит создать каналы связи между городами с высокой скоростью приема-передачи.

Что ждет в будущем

В дальнейших планах китайских исследователей разработка глобальной круглосуточной сети квантовой коммуникации, что возможно лишь путем размещения платформ на геостационарной орбите на высоте до 36 тысяч км. Для этого планируется решить проблему низкой скорости связи с такими платформами с точки зрения скорости генерации ключей. Одним из способов может стать создание пула из постоянно генерируемых ключей.

Кроме того, руководство КНР намерено расширять инфраструктуру сетей квантовой связи не только внутри страны, но и за её пределами. Планируется взаимодействие с международными партнерами из Австрии, Италии, России и Канады.

В будущем китайское правительство намерено добиться полной локализации производства основных квантовых коммуникационных устройств, создать национальные технологические стандарты, а также доминировать в разработке международных технических стандартов. На этом треке КНР активно участвует в работе по стандартизации протокола квантового распределения ключей в международных организациях – ISO и IEC, где изучаются и прорабатываются «Требования безопасности, методы тестирования и оценки для распределения квантовых ключей».