Ученые МТУСИ совместно с коллегами создали научный стенд по исследованию квантовой связи в атмосфере, в котором задействовано серийное оборудование российских фирм, производящих блоки квантовой связи и терминалы атмосферной оптической связи. Предварительные исследования, выполненные на этом стенде, выявили необходимость определенной доработки серийного оборудования, как терминалов оптической связи, так и модернизации алгоритмов синхронизации и автоматической подстройки в блоках квантовой связи.

Технология квантового распределения ключей (КРК) позволит обеспечить абсолютную надежность передачи информации, даже при атаках, проводимых с использованием мультикубитовых квантовых вычислителей, которые могут появиться в обозримом будущем. Поэтому во всем мире активно прорабатывается архитектура квантовых криптографических систем и способы реализации протяженных квантовых сетей для создания квантового интернета, где будет широко использоваться технология КРК. Сегодня реальная для практических приложений передача квантового ключа на дистанции свыше 1000 километров продемонстрирована с использованием систем оптической связи в свободном пространстве.

Необходимо отметить, что роль систем оптической связи становится с каждым годом все более значительной, это обусловлено необходимостью передачи постоянно растущих объемов информации, безопасность которой, в условиях угроз атак с использованием квантовых компьютеров, логично защитить с использованием технологии квантового распределения ключа. При этом, если в космосе значимых препятствий для распространения оптического излучения нет, то в атмосфере Земли присутствие различных примесей и любые неоднородности плотности газовой среды оказывают значительное влияние на процесс распространения оптического излучения, что требует разработки специальных аппаратных и программных средств для эффективной передачи данных в атмосфере.

Россия сегодня одна из немногих стран способная серийно производить устройства атмосферной и космической оптической связи, которые являются по ряду параметров самыми лучшими в мире, о чем свидетельствует широкая география продаж АО «Мостком», одной из ведущих мировых кампаний в этой области.

Очевидно, что передачу данных по атмосферным оптическим линиям связи также необходимо защищать по технологии КРК. Поэтому ученые и инженеры АО «Мостком», МТУСИ и КуРэйт объединили усилия по разработке наиболее оптимальной концепции системы квантовой связи в атмосфере и космосе, в основе которой заложен модульный подход, что позволяет с минимальными издержками предложить на рынок конкурентное решение для реализации высокоскоростной защищенной связи в атмосфере.

В МТУСИ был создан уникальный научный стенд по исследованию квантовой связи в атмосфере, в котором задействовано серийное оборудование российских фирм, производящих блоки квантовой связи и терминалы атмосферной оптической связи. Предварительные исследования, выполненные на этом стенде, выявили необходимость определенной доработки серийного оборудования, как терминалов оптической связи, так и модернизации алгоритмов синхронизации и автоматической подстройки в блоках квантовой связи, используемых в коммерческих блоках фирмы КуРэйт. Простое решение, позволившее после незначительной доработки серийного терминала фирмы АО «Мостком» осуществить передачу квантового ключа с использованием учебной установки КуРэйт подробно описано в статье ученых.

Разработка более эффективных и универсальных алгоритмов синхронизации для коммерческих установок квантового распределения ключей потребовало большего времени. В результате теоретических исследований новые, более эффективные алгоритмы синхронизации и интеллектуальной настройки были реализованы группой инженеров КуРэйт в новом программном обеспечении для блоков квантовой связи. Целью экспериментов в МТУСИ, проведенных на стенде для исследования квантовой связи в свободном пространстве, являлось тестирование этих новых алгоритмов.

Результаты исследований, полученные на атмосферной трассе протяженностью 180 метров при дополнительном подключении нескольких сегментов оптического кабеля, показали, что новый алгоритм синхронизации обеспечивает стабильную работу блоков квантовой связи даже в условиях сильно изменчивой погоды (эксперименты проводились в условиях слабого дождя) и порывов ветра. Кроме системы синхронизации была проверена работа детекторов одиночных фотонов производства КуРэйт, которые также работали в штатном режиме при подключении блоков квантовой связи к терминалам атмосферной оптической связи.

Таким образом, после установки новых алгоритмов на коммерческие блоки квантовой связи производства КуРэйт, последние могут передавать квантовый ключ не только по ВОЛС, но и через сегменты атмосферной оптической связи, реализованные с использованием терминалов АО «Мостком». Прямые эксперименты по реализации полноценной атмосферной связи, защищённой по технологии КРК с использованием серийного оборудования исключительно российского производства запланированы в ближайшие месяцы.

По мнению заведующего кафедрой «Направляющие телекоммуникационные среды» (НТС) МТУСИ Олега Колесникова, «проводимые исследования позволяют привлекать студентов бакалавриата и магистратуры к научно-исследовательской работе на новейшем оборудовании российских компаний, что создает сильный кадровый фундамент в инновационной отрасли квантовых коммуникаций».

Как отметил профессор кафедры НТС, доктор физико-математических наук Сергей Казанцев, «уникальность стенда МТУСИ, на котором были выполнены эти исследования, заключается в том, что в нем кроме сегмента атмосферной связи, предусмотрена возможность дополнительного подключения сегментов различных проводных каналов связи, в том числе и многосердцевинного волокна. При проведении экспериментов на этом стенде студенты активно вовлекаются в исследовательский процесс, что позволяет им получить уникальные для рынка компетенции и наметить перспективные траектории для дальнейшего развития».

Директор по ИТ АО «Мостком» Сергей Кузнецов считает, что «последняя серия экспериментов на стенде МТУСИ с использованием промышленной установки КРК компании КуРэйт продемонстрировала верность модульного подхода к созданию беспроводных систем КРК. Следующий этап экспериментов позволит перейти к планированию создания промышленных установок атмосферных КРК, которые уже сейчас необходимы в различных информационных системах, требующих высокой степени защиты каналов связи».