Фотон видно будет: квантовую сеть в РФ расширят с помощью спутника

Квант открытости

Первая в мире открытая квантовая сеть, соединяющая лаборатории Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» и Московского технического университета связи и информатики (МТУСИ), может быть расширена за счет добавления спутникового сегмента. Запуск космического аппарата запланирован на 2023 год. Разработчики будут использовать спутник формата CubeSat (формат малых искусственных спутников Земли для исследования космоса, имеющих габариты 10х10х10 см при массе не более 1,33 кг. — «Известия»). Для реализации этой идеи инженерам предстоит решить ряд сложных технических задач. Единственная аналогичная сеть с использованием спутниковой связи существует сегодня только в Китае.

Квантовые коммуникации — одно из трех основных направлений развития современных квантовых технологий параллельно с вычислениями и сенсорами, пояснил «Известиям» директор Института спектроскопии РАН Виктор Задков. В квантовых сетях информация передается с помощью микрочастиц — фотонов света по обычным оптоволоконным линиям.

— В отличие от обычных систем связи, квантовые сети невозможно скрытно взломать и получить доступ к передающейся через них информации, так как любое проникновение в такие сети оставляет следы на физическом уровне, — сказал Виктор Задков.

По словам эксперта, эта технология будет востребована там, где на первый план выходят вопросы информационной безопасности. Особый интерес такие коммуникации представляют для систем электронного голосования, структур государственной власти, спецслужб, банков, финансовых и других организаций, резюмировал специалист.

Первая в мире

Открытая межвузовская квантовая сеть на базе двух университетов начала работать в середине октября. Ее особенность в том, что подключиться к ней и «обкатать» на практике свои квантовые разработки может любой желающий. Таких возможностей больше не дает ни одна квантовая сеть в мире. По задумке ученых НИТУ «МИСиС», сеть должна стать экосистемой, то есть средой, для которой сторонние разработчики будут создавать собственное программное обеспечение, подключать к ней свои устройства и оптоволоконные линии связи. Таким образом, в России может быстрее сформироваться массовый рынок квантовых коммуникаций, которого пока не существует.

— На наш взгляд, мировой рынок квантовых коммуникаций тормозится недостатком практических приложений, поэтому мы запускаем экосистемный подход. К нам может обратиться любая компания, научная организация или стартап, бесплатно использовать нашу сеть и предложить свой вариант ее практического применения, — сказал директор Центра компетенций НТИ «Квантовые коммуникации» НИТУ «МИСиС» Юрий Курочкин.

Использование для передачи квантового сигнала спутника имеет ряд преимуществ по сравнению с оптоволокном. Космическую связь можно использовать там, где нет наземных оптических линий. Сюда относится, например, вся поверхность Мирового океана, которую бороздят тысячи судов, нуждающихся в надежных коммуникациях, а также территории других государств, где нельзя создать наземную инфраструктуру с гарантированной безопасностью.

Специалисты уже занимаются проектированием спутника и подбором необходимых служебных систем, которые смогут реализовать жесткие требования к ориентации космического аппарата. Это необходимо, так как спутник должен посылать фотоны света точно на принимающее устройство на Земле. Ситуация осложняется тем, что еще никогда спутники формата CubeSat не использовались для решения таких задач.

— На рынке комплектующих для спутников формата CubeSat существует много предложений, но они не совсем подходят под наши требования, поэтому нам предстоит большая работа с производителями таких систем по их доводке и адаптации для решения наших задач, — говорит Юрий Курочкин.

По словам специалиста, существует несколько возможных вариантов орбит для будущего спутника, но на данный момент наиболее удобной кажется солнечно-синхронная орбита высотой 500–600 км. При ее использовании космический аппарат проходит над каждой точкой земной поверхности приблизительно в одно и то же местное время. При такой высоте спутник всегда будет находится под защитой магнитного поля Земли, что позволяет использовать более дешевые комплектующие, а его срок службы составит от трех до пяти лет.

Спутник должен получать и передавать в нужную точку на Земле единичные фотоны света, что невозможно при сильной облачности. Как технически решить эту проблему, пока неясно. Однако, как пояснил Юрий Курочкин, для эффективной работы спутникового канала по нему достаточно передавать только небольшой по объему ключ для доступа к информации. А данные большого объема могут идти по обычным открытым сетям. При этом передача ключа и его использование для чтения информации могут быть разведены во времени. Поэтому спутник может распределять ключи в любой момент, как только это позволяет погода, а потом снова ожидать подходящих метеоусловий.

Маленький аппарат в большом космосе

По мнению профессора кафедры наноинженерии Самарского университета Сергея Харитонова, разработка квантового CubeSat будет связана с некоторыми сложностями. Оборудование, которое на нем установят, должно пройти юстировку, то есть процесс досконального выравнивания всех элементов. Как сохранить эти точные настройки в условиях перегрузок при взлете, непонятно, так как существующие системы, которые гасят вибрации, не поместятся в малый объем спутника.

— CubeSat'ы имеют стоимость выведения до нескольких десятков тысяч долларов. Выводятся, как правило, группой до 70 единиц либо посредством ракет-носителей, либо с борта пилотируемых и автоматических грузовых космических кораблей и орбитальных станций, — рассказал Сергей Харитонов.

Для запуска и разведения CubeSat на орбите, как добавил специалист, разработаны многоместные контейнеры-платформы, в том числе с использованием поворотных барабанов — таких же, как применяются в пистолетах типа револьвер. Также для вывода CubeSat восоздаются сверхмалые ракеты-носители.

Теоретически для передачи квантового сигнала в условиях сильной облачности можно использовать самолет, который будет принимать его на больших высотах, считает Сергей Харитонов. Однако при этом спутнику необходимо точно прицелиться, чтобы пучок фотонов попал на принимающее устройство на самолете. Но в результате возникает проблема точного позиционирования и ориентации маленького CubeSat в пространстве, которую сложно решить без увеличения его размера, добавил эксперт.

Спутниковые технологии квантовой связи просто необходимы России из-за ее огромных пространств, считает замдиректора Национального центра квантового интернета, директор лаборатории квантовых коммуникаций ИТМО Владимир Егоров. Они будут востребованы для международной связи и на труднодоступных территориях, таких как, например, в Арктике. По мнению эксперта, в этой области особенно важно развивать отечественные технологии, так как в сфере информационной безопасности их импорт невозможен.

Денис Гриценко