http://93.174.130.82/digest/showdnews.aspx?id=3b3634d2-b38b-4d79-a666-f1dbc1f9db1e&print=1© 2024 Российская академия наук
В апреле 2024 года российская научная общественность отмечает ряд значимых юбилейных дат, связанных с историей нашего государства. В апреле 1944 года, 80 лет назад, советскими войсками в ходе развития ряда наступательных операций Великой Отечественной войны были освобождены города Одесса (10.04.1944) и Керчь (11.04.1944). Почётное звание «Город-герой» городу Одессе было присвоено 01.05.1945, городу Керчи – 14.09.1973. Но 5 апреля 2024 года исполняется 30 лет со дня учреждения указом Президента Российской Федерации Российской академии ракетно-артиллерийских наук (РАРАН, 05.04.1994). Российская академия наук (РАН), отметившая в феврале 2024 года трехсотлетие со дня основания, успешно взаимодействует со всеми государственными академиями, в т.ч., с РАРАН, в различных сферах, включая квантовые технологии и квантовые коммуникации и перспективные системы вооружения и военной техники (ВВТ) для укрепления обороноспособности и обеспечения государственной безопасности Российской Федерации.
Одесская наступательная операция войск 3-го Украинского фронта под командованием генерала армии (будущего Маршала Советского Союза (1944), дважды Героя Советского Союза (1945, 1958), кавалера Ордена «Победа» (1945) и министра обороны СССР (1957-1967)) Родиона Яковлевича Малиновского (11/23.11.1898-31.03.1967) при содействии сил Черноморского флота под командованием адмирала (1944) и будущего Героя Советского Союза (1958) Филиппа Сергеевича Октябрьского (11/23.10.1899-08.07.1969) проходила в марте-апреле 1944 года в рамках Днепровско-Карпатской стратегической наступательной операции (СНО, 24.12.1943-17.04.1944). В результате СНО было нанесено стратегическое поражение 6-й немецкой и 3-й румынской армиям, а советские войска полностью освободили Николаевскую и Одесскую области, и значительную часть Молдавии. Были сформированы плацдармы на правом берегу Днестра для дальнейшего успешного наступления советских войск в направлении Румынии, Болгарии и Балкан и освобождения Европы. Город-герой (01.05.1945) Одесса был освобожден советскими войсками 10 апреля 1944 года, город-герой (14.09.1973) Керчь – 11 апреля 1944 года!
Спустя полвека, 05 апреля 1994 года указом Президента Российской Федерации «в целях возрождения традиций российской военной науки, развития научных исследований в оборонном комплексе» была учреждена Российская академия ракетно-артиллерийских наук (РАРАН), являющаяся единственной научно-экспертной организацией для силовых структур, имеющей государственный статус, объединяющей учёных и специалистов предприятий и организаций Министерства обороны Российской Федерации и иных федеральных органов исполнительной власти и оборонной промышленности, обеспечивая на высочайшем уровне решение проблемных вопросов системного развития ВВТ и специальной техники для ОГБ. Ряд членов старейшей отечественной Академии (Российской академии наук, РАН) являются членами РАРАН, принимая участия в разработке и создании перспективных образцов ВВТ и изделий для ОГБ.
В год 300-летия РАН и 30-летия РАРАН вопросы академической интеграции фундаментальных и прикладных научных исследований в различных сферах регулярно рассматриваются на различных форумах, конференциях и симпозиумах. Представители вузовской и промышленной науки в тесной кооперации решают сложные вопросы, в т.ч., применения квантовых технологий (КТ) и квантовых коммуникаций (КК) как для гражданского производства (ГП), так и для создания перспективных систем вооружений и военной техники (ВВТ) для укрепления обороноспособности нашей страны и обеспечения государственной безопасности (ОГБ). Одну из лидирующих позиций в российском и международном рейтинге вузов занимает МГУ имени М.В.Ломоносова: ректор – президент Российского Союза ректоров, президент Московского общества испытателей природы, председатель Российского совета олимпиад школьников, вице-президент РАН (2008-2013), лауреат Государственной премии СССР (1989), Государственной премии Российской Федерации (2002) и трёх премий Правительства Российской Федерации (2006, 2011, 2012), член Высшего совета партии «Единая Россия», полный кавалер ордена «За заслуги перед Отечеством» и Герой Труда Российской Федерации, академик РАН и РАРАН Виктор Антонович Садовничий, отметивший 03.04.2024 85-летний юбилей! Например, в докладе С.П.Кулика (Центр квантовых технологий (ЦКТ) МГУ имени М.В.Ломоносова), профессора физического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова рассматривались различные аспекты применения КК через атмосферные и космические каналы связи. Отмечалось, что КК является сферой знаний о передаче квантовых состояний между удалёнными объектами, а телекоммуникационная инфраструктура (волоконно-оптические системы, квантовые интерфейсы и компоненты памяти) позволят обеспечить защиту данных и информационную безопасность в ГП и для ВВТ и для ОГБ на качественно новом уровне!
Согласно набору базовых требований к системам квантового распределения ключей (КРК), поскольку конечным продуктом работы является общий секретный ключ (ОСК), предполагается исправление ошибок в первичных ключах и поддержка автоматического режима работы без участия оператора, при этом сжатие очищенных ключей является следствием усиления секретности универсальными хеш-функциями, и применяется физический (квантовый) генератор истинно случайных последовательностей. Среди основных направлений мировых разработок в данной сфере следует, прежде всего, отметить волоконно-оптические линии связи (ВОЛС), в которых используется шифрование квантовыми ключами данных, передаваемыми по магистральным линиям связи с созданием локальных защищённых сетей с электронным документооборотом (ЭДО) и крупномасштабных сетевых структур через доверенные узлы. Альтернативой ВОЛС являются атмосферно-космические каналы связи (АККС) с распределением квантовых ключей между мобильными и стационарными объектами, дистрибуцией ключей (ДК) между низкоорбитальными спутниками и наземными объектами и ДК между высоко- и низкоорбитальными спутниками с созданием глобальных квантовых сетей, охватывающих значительные территории.
Интересны демонстрационные эксперименты по КРК через открытое пространство. В 2000-2001 годах были проведены первые работы по распределению ключей на расстояния порядка 1 км. В период с 2007 года по 2009 год был получен и подтверждён рекорд дальности по КРК и «передаче запутанности» на расстояния 144 км, а в 2012 году была проведена квантовая телепортация с «распределением перепутанности» на расстоянии 97 км! Развитием тематики стала серия экспериментов по КРК на движущиеся объекты: в 2013 году – КРК на самолёт, в 2015 году – КРК на движущийся автомобиль, и в 2017 году – КРК между беспилотными системами (дронами). Параллельно развивалась отрасль спутниковых систем КК: в 2014 году был создан «SOTA/SOCRATES optical space terminal (NICT, Japan)», в 2016 году – источник пар фотонов на орбите (Сингапур) и «Micius Satellite» (КНР). Первая квантово-ограниченная передача с геостационарной орбиты была осуществлена в 2017 году (Alphasta). В 2020 году был проведен эксперимент по оптической связи «Эколинс» государственной корпорацией (ГК) «Роскосмос».
Рассматривая проблематику атмосферной квантовой криптографии, нельзя не отметить ряд первоочередных задач, решение которых крайне необходимо. Помимо необходимости применения систем активного и пассивного трекинга (компенсация вибраций опорных систем), учёта искажения волнового фронта вследствие турбулентности атмосферы и зависимости от локализации спектрального пропускания атмосферы, важно также компенсировать и малые поляризационные искажения, и априорные потери в канале связи (турбулентность, осадки, взвеси, аэрозоли и т.д.), и дифракционную расходимость пучка. При анализе спектрального пропускания атмосферы очевиден т.н. «компромисс» между пропусканием и квантовой эффективностью однофотонного приёмника.
Сергей Петрович представил в докладе результаты КРК при дневном освещении, КРК на расстоянии 144 км с распределением запутывания между Канарскими островами, ВВ84 на ослабленных когерентных состояниях с поляризационным кодированием при дальности 20 км и полной эффективности 38 дБ, КРК между стационарной станцией и движущимся автомобилем, КРК между стационарной станцией и дроном. В 2014 году был осуществлён сеанс квантовой спутниковой связи «SOTA/SOCRATES optical space terminal» (NICT, Japan) с микроспутником весом 50 кг для измерения поляризационных состояний с «квантово-ограниченной» передачей данных на Землю, при этом передатчик был размещён на микроспутнике, а приём осуществлялся наземным 1,5 м телескопом. Интересны эксперименты, проведенные группой профессора П.Виллорези, в ходе которых эффективное (по наклону) расстояние составило 7 тысяч км, длина волны 532 нм, частота повторения 100 МГц, длительность импульсов 100 нс, диаметр зеркала 1,5 м, интерфильтр 3 нм с паразитной засветкой менее 50 Гц и детектором ФЭУ «Hamamatsu».
Более драматична история с проведением экспериментов с источником пар фотонов (ИПФ) на орбите в 2016 году: первая попытка не удалась – взорвалась ракета-носитель, но в итоге ИПФ остался цел. Вторая попытка была успешная: в режиме генерации был достигнут невырожденный коллинеарный синхронизм первого типа. Запуск китайского спутника «Мициус», «Мо-Цзы» («Micius») в 2016 году с ИПФ на борту (КТР, 810 нм), двумя передающими телескопами (10 см и 30 см) и наземными станциями с двумя телескопами 1,8 м и 1 м позволил в последующие годы осуществить ряд новых научных экспериментов. В 2017 году было осуществлено распределение запутанных фотонов на расстоянии 1200 км и КРС со спутника на Землю! В 2018 году спутник уже применялся как доверенный узел для КРК на расстоянии 7800 км: за год дистанция увеличилась более, чем в 6 раз! Кооперация академической, вузовской и промышленной науки в КНР позволила в 2022 году запустить спутник нового поколения «Джинан-1» весом менее 100 кг (на 23 кг легче, чем «Мо-Цзы» («Мициус»), частотой отправки сигнала в 6 раз выше и скоростью генерации ключа на 2-3 порядка (!) больше! И это не предел!!!
С каждым годом квантовых космических инновационных проектов становится всё больше: в 2017 году – канадский «Quantum Encryption and Science Satellite» (QEYSSat) и КубСат-Терминал (КСТ) «CubeSat Quantum Communications Mission» («CQuCoM») в кооперации Австрии, Италии, Сингапура и Франции. В 2018 году – австро-французский КСТ «Nanobob», и наконец, в 2020 году – реализованный инвестпроект NUS Сингапура: 3U КСТ на основе перепутанных пар фотонов. В 2022 году в ходе серии научных экспериментов была успешно протестирована портативная наземная станция для реализации КРК «спутник-Земля».
С практической точки зрения важна оценка реалистичных параметров космических систем КК для перепутанных состояний. Например, скорость генерации кубитов составляет 80 МГц, вероятность генерации кубитов – 8*10-3, вероятность ошибки при генерации кубита - 0, вероятность ложного срабатывания детектора – 10-5, скорость генерации ЭПР пар – 80 МГц, вероятность успешной генерации ЭПР пар – 10-2, вероятность успешного изменения состояния Белла – 0,36, вероятность успешной передачи кубита – 0,81, время операции над одним кубитом – 1 нс, эффективность заведения фотонов в оптоволокно – 0,81, потери в оптоволокне – 0,18 дБ/км, вероятность переворота фазы в оптоволокне – 0,02, квантовая эффективность фотодетектора – 0,95, скорость счёта темновых импульсов – 102 Гц, длительность строба детектора – 100 пс.
Сложнее ситуация обстоит с КК при произвольных потерях, поскольку для всех известных протоколов необходима оценка априорных потерь в канале. Принципиально важно знать о том, существуют ли протоколы, которые гарантируют секретность ключей при любых потерях (заранее неизвестных и меняющихся в течение работы протокола) и неоднофотонном источнике?! Поскольку фундаментальных ограничений только квантовой механики на измеримость квантовых состояний недостаточно, решением является применение методов релятивистской квантовой криптографии. В докладе была представлена схема системы трекинга с использованием светоделителей, матовых пластинок, дихроичных зеркал, усилителей ошибки, линз, полупроводниковых лазеров, 4-секционных фотодетекторов и поворотных зеркал. Её практическим применением является совместная разработка системы атмосферной квантовой криптографии НИИ многопроцессорных вычислительных и управляющих систем (г. Таганрог) и ЦКТ МГУ имени М.В.Ломоносова. Атмосферная квантовая криптография – разработка двойного назначения, поскольку может применяться для ГП, ВВТ и ОГБ, например, при КРК между стационарным объектом и дроном. В 2020 году была проведена серия научных экспериментов для КРК между стационарным объектом и мобильными летательными аппаратами через мобильный летательный аппарат на перепутанных парах фотонов с расстоянием до 200 м. Т.о., на научно-образовательной и промышленной базе МГУ имени М.В.Ломоносова (ректор – академик РАН и РАРАН Виктор Антонович Садовничий) успешно реализуется комплексный инвестиционный проект по космической квантовой связи с участием ГАИШ (наземные терминалы) и Кавказской горной обсерватории ГАИШ, ЦКТ МГУ имени М.В.Ломоносова (разработка квантовой аппаратуры для квантовых систем связи), НИИЯФ (построение малого спутника), АО «Мостком» (захват, наведение, сопровождение и обеспечение телеметрии спутника) и «СФБ ЛАБ» (специальные исследования с построением комплекса моделей угроз и разработкой методов минимизации рисков)!
Одной из важных научных задач является т.н. «проблема расходимости пучка». Для передающего телескопа диаметром 150 мм с длиной волны 850 нм расчётный уровень затуханий для комфортной работы системы квантовой криптографии (СКК) составляет 30дБ с коэффициентом пропускания (КП) T=1%. Работа СКК может происходить и в канале с гораздо большими потерями, которые никак не должны превышать 30 дБ с КП T=0.1%. Определяя интенсивность диска Эйри в районе Земли, для телескопа диаметром 0.5 м получаем T=0.48%, что ниже расчётного уровня в 1%. Но если для телескопа диаметром 0.75 м получаем T=1.07% (что на грани допустимого!), то для телескопа диаметром 1.0 м получаем T=1.9%, что может быть принято за соответствующую расчётным значениям величину, при этом в расчёты не включены дополнительные погрешности (например, конечная ширина Гауссова пучка, ошибки в угле прицеливания, атмосферные искажения).
В выступлении президента Группы Компаний «АСВТ», генерального директора ЗАО «Русская сеть делового обслуживания», заслуженного работника связи Российской Федерации, президента Международной академии связи (МАС), почетного радиста СССР, президента Фонда Святых Равноапостольных Константина и Елены, Сопредседателя Союза Православных Женщин России, доктора философии, профессора Анастасии Петровны Оситис рассматривались различные вопросы отечественной истории и технологического развития Российской Федерации в контексте академической интеграции научных исследований, включая КТ и КК и создание систем двойного назначения, перспективных систем для ГП и ВВТ для укрепления обороноспособности и ОГБ. В частности, отмечалась позитивная созидательная роль рабочих групп «Квантовые технологии» и «Квантовые коммуникации» МАС для интеграции академического научного сообщества при решении ряда фундаментальных и прикладных задач в сфере КТ и КК для ГП и ВВТ.
Выводы и рекомендации:
Каждая юбилейная годовщина, связанная с событиями Великой Отечественной войны (22.06.1941-09.05.1945), последовательно нас приближает к грядущему 9 мая 2025 года восьмидесятилетнему юбилею Великой Победы! Восьмидесятилетие освобождения советскими войсками городов Одесса и Керчь – славные страницы отечественной истории и воодушевляющие примеры новым поколениям российских учёных, решающих важные, стратегически-важные задачи по созданию перспективных систем ВВТ для укрепления обороноспособности и ОГБ.
В сфере КК ведущими российскими вузами в сотрудничестве с академическими институтами и промышленными предприятиями и организациями проводится широкий спектр научных исследований с созданием разветвлённых сетевых структур управления потоками информации, космической квантовой связи и предоставлением операторами различных услуг по защите информации. Специфическим случаем является КРК через атмосферные каналы, поскольку потери неизвестны (они случайно меняются со временем), а при уровне потерь выше критического происходит внезапное завершение сеанса связи.
Уже реализованы разные варианты систем КРК: «стационар-стационар», «стационар-мобил», «стационар-НОС» и т.д. Перспективы их применения в массовых масштабах и промышленной коммерциализации неочевидны, пока изучаются возможные варианты ограниченного использования для специальных целей, в т.ч. для ГП, ВВТ и ОГБ. Построение глобальной защищенной сети с использованием технологии КРК принципиально возможно, но целесообразно проведение маркетингового исследования для изучения сфер и секторов применения (заказчики, цели, задачи, методы решения и т.д.). Также целесообразна проработка вопросов применимости квантового интернета для построения защищённой сетевой инфраструктуры квантовых устройств для ГП и ВВТ.