Китай создаёт первую в мире квантовую криптографическую спутниковую сеть.
Противостояние между специалистами по защите информации и хакерами вынуждает первых проводить постоянную модернизацию технических средств передачи и защиты этой информации. Настал тот момент, когда программисты планируют использовать для защиты секретных данных достижения квантовой механики (наука, которая описывает поведение элементарных частиц). Явление, которое называется «квантовой запутанностью» позволяет однозначно определить, имели ли доступ к секретной информации посторонние лица. Квантовая теория даёт возможность получателю данных понять, была ли важная информация модифицирована злоумышленниками в процессе передачи.
Элементарные частицы с одинаковыми свойствами, которые проявляются одновременно, полностью зависят друг от друга. Состояние одной частицы можно изменить только при модификации свойств её «напарницы». Расстояние между частицами при этом никак не влияет на эту зависимость.
Исследователи из нескольких стран, экспериментировавшие с квантовым шифрованием, достигли определённых успехов в этом деле. Они использовали для передачи зашифрованных сообщений оптические кабели и специальные световые излучатели. Такой способ передачи данных имеет некоторые технические ограничения. Среда, через которую передаётся сигнал, активно поглощает энергию квантовых сообщений.
Максимальная дальность передачи зашифрованного сигнала при помощи оптического кабеля составляет около 100 км. Увеличение этой цифры может потребовать применения квантовых ретрансляторов. Эти дорогие устройства очень сложны в производстве. Для массового применения квантовые ретрансляторы не предназначены.
Альтернативным методом коммуникаций можно считать трансляцию квантового сигнала в вакууме. С этой задачей вполне могут справиться спутники. Эксперименты, которые провёл китайский физик Пан Цзяньвэй, убедительно доказывают возможность использования эффекта «квантовой запутанности» для передачи информации в вакууме.
В 2016 г. КНР отправила в космическое пространство первый в мире спутник цифровой квантовой связи. Его назвали «Мо-Цзы» (Micius) в честь китайского философа, изучавшего оптические явления в 5 веке до нашей эры. Новый спутник вращается вокруг Земли на высоте около 500 км. Доктор Пан Цзяньвэй вместе со своими коллегами получил возможность протестировать протоколы, которые будут использованы для построения глобальной коммуникационной квантовой сети.
Исследования китайских учёных указывают на то, что «запутанные» фотоны не меняют своего состояния в процессе передачи квантовых сообщений от спутника до наземных ретрансляторов. Станции, принимающие сигнал, могут находиться на расстоянии до 1200 км друг от друга. Это никак не меняет свойства «запутанных» элементарных частиц. После первых успехов физики сделали попытку «телепортировать» информацию на околоземную орбиту. «Телепортация» означает, что передача данных не сопровождается физической трансляцией информации. Отправитель просто изменяет квантовой состояние одного фотона в «запутанной» паре. Получатель информации фиксирует изменение второго фотона. Серия таких изменений позволяет кодировать данные. Получатель и отправитель заранее согласовывают правила расшифровки информации.
Для предотвращения искажений сигнала команда доктора Пана разместила передающую станцию в Нгари (округ в Тибетском автономном районе КНР, расположенный на высоте 5100 метров). Учёные отправили один из «запутанных» фотонов на Micius. Второй фотон из пары остался на Земле. Затем они «спутали» его с третьим фотоном. Учёные сравнили, как изменилась поляризация третьего фотона и его «коллеги», который попал на околоземную орбиту. Оба фотона поменяли своё состояние одновременно. Успешная «телепортация» информации на околоземную орбиту стала основой для научной работы, опубликованной в июле.
В другом своём научном докладе доктор Пан описывает процесс передачи спутником ключей квантового шифрования на станцию в Синлуне, расположенную недалеко от Пекина. Квантовый ключ описывает состояние длинной цепочки фотонов. При помощи ключа можно быстро расшифровать закодированную информацию. Возможность передачи ключей играет решающую роль в процессе развития квантовой криптографии.
Безопасность квантового шифрования основана на том, что все попытки перехватить сигнал нарушают эффект «квантовой запутанности». Попытка перехвата квантового сигнала обязательно будет обнаружена в результате статистической обработки информации о состоянии цепочки фотонов. Этот процесс в своё время описал австрийский физик Эрвин Шрёдингер при помощи мысленного эксперимента («Кот Шрёдингера»). Состояние кошки, которая заперта внутри закрытой коробки, зависит от того, наблюдает за ней человек или нет. Отсутствие наблюдения приводит к тому, что кот может быть как живым, так и мёртвым. Если ящик открыть, то животное обязательно примет одно из двух конкретных состояний.
Возможности Micius позволили разделить шифровальный ключ между приёмником в Синлуне и станцией, расположенной в Наньшане. Расстояние между двумя станциями составляет порядка 2500 км. Первый поток «запутанных» фотонов был отправлен в Синлунь. Через 2 часа, когда спутник пролетел над Наньшанем, была транслирована вторая порция квантового сигнала.
В течение 5 лет Китай планирует запустить на орбиту ещё один спутник. Доктор Пан и его команда планируют поднять космический аппарат на высоту 20000 км. Это позволит спутнику контактировать с большим количеством станций, расположенных в разных странах. Использование нового спутника станет началом построения глобальной коммуникационной квантовой сети.
К 2022 году Китай завершит строительство космической станции. Пан Цзяньвэй планирует установить на этот корабль оборудование, предназначенное для квантовых коммуникаций. Обслуживание этой техники пока нельзя поручить роботам. Это могут сделать только люди, обладающие соответствующей квалификацией. Конечной целью китайских учёных является создание «кольца» из спутников, которые будут находиться на геостационарных орбитах.
Доктора Пана и его коллег очень волнует вопрос взаимодействия гравитационного поля и «запутанных» фотонов. Физик проводит различные эксперименты, сравнивая движение фотонов на орбите с перемещениями «запутанных» частиц на земле. Решение второго вопроса, связанного с «квантовой запутанностью», может принести Пану Нобелевскую премию. Он заключается в объяснении механизма одновременного изменения состояния парных фотонов. В данный момент учёные не понимают, каким образом одна частица «узнаёт» о состоянии другой. Альберт Эйнштейн в своё время назвал данный феномен «жутким дистанционным воздействием». Научная деятельность доктора Пана рано или поздно избавит мир от «квантовых призраков».
