Внедрение технологий квантовой криптографии способно обеспечить практически полную безопасность полноценного межчеловеческого взаимодействия, защищая ключевые каналы связи от разного внешнего вмешательства и компрометации информационных потоков. Актуальность данной технологии неуклонно возрастает в свете признаний исследователей о том, что создание функциональных квантовых компьютеров позволит преодолеть любые существующие методы криптографической защиты. Учитывая близость появления коммерческих решений на базе квантовых вычислений, научное сообщество вынуждено разрабатывать все более совершенные механизмы обеспечения сохранности данных в интересах бизнеса, государственных структур и оборонного сектора.

В целом, квантовая криптография важна для всех, кому нужна практически стопроцентная защита от взлома. Но здесь есть одна проблема. Дело в том, что квантовая криптография работает с отдельными фотонами, которые и несут квантовую информацию. Но даже лучшие оптоволоконные кабели могут вести фотоны на расстояние не больше 200 км, прежде, чем абсорбционный процесс сделает все эти попытки бессмысленными. Поэтому квантовая криптография ранее работала (и то в тестовом варианте) лишь на коротких расстояниях.

Но китайские ученые разработали спутник, который убрал препятствие в виде расстояния. Этот спутник, Micius, был запущен в 2016 году. В течение предыдущих лет он выполнял различные задания и выходил на операционный уровень. Прошлым летом он заработал на полную мощность и смог телепортировать фотон с орбиты прямо на Землю.

Как можно догадаться, квантовая криптография — это метод защиты коммуникаций, основанный на принципах квантовой физики. В отличие от традиционной криптографии, которая работает с чисто математическими методами для обеспечения секретности информации, квантовая криптография сосредоточена на физике. Процесс отправки и приема информации выполняется физическими средствами, как пример — электроны или фотоны. Ну а подслушиванием может считаться изменение определенных параметров физических объектов — в этом случае переносчиков информации.

Технология квантовой криптографии опирается на принципиальную неопределенность поведения квантовой системе, что выражается в принципе неопределенности Гейзенберга. В этом случае нельзя одновременно получить координаты и импульс частицы, а также нельзя измерить один параметр фотона без искажения другого.

В идеальном варианте при помощи квантовых явлений можно создать такую систему связи, которая позволит обнаруживать подслушивание в 100% случаев. Как уже говорилось выше, подслушивание квантового канала ведет к изменению параметров исходного сигнала. Уровень шума в системе будет повышаться, и пользователи системы сразу смогут распознать факт подслушивания, а также измерить уровень его активности.

Устройства для квантовой криптографии нельзя назвать новыми. Так, первая функционирующая квантово-криптографическая система была создана в 1989 году в Исследовательском центре IBM учеными Беннетом и Брассаром. Система представляла собой квантовый канал, который работал, с одной стороны, с передающим аппаратом Алисы, с другой — с принимающим аппаратом Боба. Оба аппарата находились на расстоянии 1 метра друг от друга. Управление происходило при помощи компьютера, в который были загружены программные представления легальных пользователей злоумышленника Евы, пытавшегося «подслушать».

Частицы, находящиеся в системе квантовой криптографии, можно назвать квантовыми ключами. Их распространение — ключевой процесс. Если у обеих сторон есть ключ, они могут общаться по традиционным каналам связи без угрозы быть подслушанными. Так вот, спутник китайцев отправляет ключи с орбиты. Он расположен на орбите таким образом, что проходит над определенными точками земной поверхности примерно в одно и то же время каждый день.

Когда спутник находится на китайской наземной станцией в провинции Хэбэй, он отправляет ключ на Землю, что позволяет открывать защищенные каналы связи. Китайцам удалось открыть защищенный канал видеосвязи между Китайской академией наук в Пекине и Австрийской академией наук в Вене. Таким образом, обе стороны получили по ключу. Видеосвязь осуществлялась по традиционному каналу.

«Мы продемонстрировали возможность межконтинентальной квантовой связи, между двумя точками, удаленными друг от друга на 7600 километров», — заявили участники проекта. Несмотря на успехи, пока что рано говорить о коммерческом использовании технологии. На данный момент это лишь доказательство работоспособности системы, основанной на теоретических принципах, представленных ранее.

Для любознательных

В России и мире разработкой эффективной межконтинентальной квантовой связи с использованием спутников занимаются различные ведущие научные центры, государственные корпорации и международные консорциумы. Ниже — подробный обзор ключевых игроков и их вклада в эту передовую технологию.

Россия

1. Центр квантовых технологий при МГУ
   Учёные из этого центра разрабатывают спутниковую систему квантовой связи, которая должна появиться к 2030 году. Проект включает создание двух наземных терминалов — в Москве и Кисловодске — и их соединение через низкоорбитальный спутник-кубсат.
   • Научный руководитель — Сергей Кулик.
   • Заказчик проекта — ОАО «РЖД».
   • Цель — обеспечение защищённой связи между отдалёнными регионами России с помощью квантовых ключей.
   • Реализация запланирована на 2029 год, сейчас идёт подготовка технической документации и заключение договоров.
2. Холдинг «Швабе» (входит в «Ростех»)
   Российские специалисты, включая учёных из Государственного оптического института им. С. И. Вавилова (ГОИ), работают над созданием инновационного оптического волокна и элементов для квантовых коммуникаций.
   • Участие в международном проекте БРИКС по созданию межконтинентального канала квантовой связи.
   • Разработка технологии передачи оптических вихрей в квантовых каналах.
3. Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики (ПГУТИ) и Казанский национальный исследовательский технический университет (КНИТУ-КАИ)
   Эти вузы участвуют в исследованиях по квантовым коммуникациям, моделированию сетей и подготовке кадров.
4. Минэкономразвития РФ
   Готовит проект «Квантовая долина» — инновационный центр в Нижегородской области. На развитие квантовых технологий в России планируется выделить 19,5 млрд рублей за пять лет.

Международные проекты и лидеры

1. Китай — лидер в области спутниковой квантовой связи
   • Спутник «Мо-Цзы» (QUESS), запущенный в 2016 году, стал первым в мире квантовым спутником.
   • С его помощью китайские учёные провели:
     • Передачу запутанных фотонов на расстояние свыше 1200 км.
     • Первую межконтинентальную видеосвязь, защищённую квантовым шифрованием, между Китаем и Австрией (2017 год).
     • Обмен квантовыми ключами на расстоянии 7600 км между Грацем и Силуном.
   • Китайская академия наук активно сотрудничает с австрийскими и европейскими коллегами.
2. Проект БРИКС по межконтинентальному каналу квантовой связи
   • Участники: Россия, Китай, Индия, ЮАР.
   • Протяжённость канала — более 10 000 км.
   • Распределение ролей:
     • Россия — разработка оптического волокна и наземных систем.
     • Китай — спутниковая квантовая связь.
     • Индия — моделирование волоконно-оптических сетей.
     • ЮАР — головной исполнитель проекта.
   • Цель — создание первого в мире межконтинентального квантового канала между университетами стран БРИКС.
3. Европа
   • Европейское космическое агентство (ESA) и Европейская комиссия разрабатывают концепцию европейского квантового интернета, включая спутниковые компоненты.
   • Учёные из Австрии, Германии и Франции активно участвовали в экспериментах с «Мо-Цзы».
   • Проекты по созданию наземных квантовых сетей в Германии, Нидерландах и Франции.
4. Сингапур, Великобритания, Канада и США
   • Исследователи из этих стран работают над квантовыми коммуникациями, в том числе с использованием спутников.
   • Например, в 2020 году учёные из Сингапура, Великобритании и Китая протянули квантовый канал длиной 1120 км между Наньшанем и Дэлинхой с использованием спутника.

Ключевые технологии

• Квантовое распределение ключей (QKD) — позволяет передавать шифровальные ключи с абсолютной защитой: любое вмешательство обнаруживается.
• Запутанные фотоны — их состояние мгновенно коррелирует, даже если они разделены тысячами километров. Это основа для квантовой телепортации и сверхзащищённой связи.
• Спутниковые терминалы и кубсаты — позволяют преодолевать ограничения наземных линий (потери в оптоволокне, необходимость в доверенных узлах).

Перспективы

• К 2030 году ожидается появление первых глобальных квантовых сетей, сочетающих наземные и спутниковые каналы.
• Россия планирует войти в число лидеров, особенно в рамках сотрудничества с БРИКС.
• Квантовая связь станет основой для безопасного интернета будущего, устойчивого даже к атакам квантовых компьютеров.

На сегодняшний день Россия активно развивает собственные технологии, но Китай остаётся безусловным лидером в области спутниковой квантовой связи. Однако российские разработки, особенно в рамках международного сотрудничества, имеют высокий потенциал для выхода на передовые позиции.