Для защиты информации в условиях бурного развития квантовых технологий ученые предлагают использовать методы постквантовой криптографии или технологию квантового распределения ключей (КРК), которую часто называют квантовой связью. Реализовать сеть на технологии КРК в глобальном масштабе сегодня возможно с использованием спутниковых оптических систем связи, в которых передача квантовых битов на наземные терминалы осуществляется через свободную атмосферу.
Спутник / © NASA, unsplash.com
В отличие от волоконно-оптических систем связи, передача данных через свободную атмосферу подвержена влиянию погодных условий и турбулентные потоки воздуха могут существенно снижать эффективность как обычной оптической связи, так и квантовой, которая благодаря тому, что передача информации осуществляется одиночными фотонами, горазда сильнее подвержена влиянию возмущений плотности атмосферы.
Ранее в совместных исследования ученых и инженеров МТУСИ, «КуРэйт» и АО «Мостком» протестированы различные технические решения по реализации квантовой связи в атмосфере на основе использования серийного оборудования, выпускаемого российскими компаниями. При выполнении этих тестов скорость квантовой связи и величина квантовых битовых ошибок (QBER) очень сильно зависели от оптических потерь на атмосферной трассе.
Оптические потери мощности сигнала на атмосферной трассе, возникающие от воздействия турбулентных потоков, могут быть скомпенсированы за счет применения систем адаптивной оптики. Именно решением этой задачи в настоящее время и занимается объединенная научная группа, в которую входят сотрудники МТУСИ и ИДГ РАН. Следует заметить, что компенсация деструктивных воздействий турбулентных потоков актуально не только для систем КРК, но и для атмосферных оптических линий связи, которые планируется применять на важных промышленных объектах в качестве резервного канала.
Недавно учеными были проведены эксперименты, которые подтвердили способность адаптивного зеркала, разработанного в лаборатории «Атмосферная адаптивная оптика» ИДГ РАН имени М.А. Садовского, поддерживать более высокий средний уровень мощности на приемном устройстве связи в условиях создания на атмосферной трассе искусственных турбулентных возмущений.
«Оптические возмущения создавались с помощью обычного бытового тепловентилятора мощностью 2 кВт, горячий поток воздуха от которого направлялся на атмосферную трассу, в результате возникали хаотические колебания мощности на приемном устройстве. При этом минимальный уровень сигнала мог снижаться ниже порога чувствительности фотоприемника, однако при включении адаптивного зеркала минимальный уровень мощности поддерживался выше порога чувствительности фотоприемника, а уровень минимальных сигналов более чем в 3 раза был выше, чем без использования адаптивной оптической системы коррекции волнового фронта», — рассказала непосредственный участник экспериментов, зав. сектором «КРК в атмосферных линиях связи» НИО КЦ МТУСИ, кандидат технических наук Наталия Пчелкина.
«При реализации КРК через низкоорбитальные спутники время сеанса связи с ними является крайне ограниченным, поэтому возникает необходимость минимизации оптических потерь в канале связи спутник-Земля, чтобы сформировать ключ в течение одного сеанса. В связи с этим использование адаптивных оптических систем, которые могут хотя бы частично убрать потери, обусловленные турбулентностью атмосферы, является чрезвычайно актуальной задачей», — пояснил профессор кафедры НТС МТУСИ, доктор физико-математических наук Сергей Казанцев.
«Адаптивная система, которая была использована в наших экспериментах, имела частоту работы в замкнутом цикле до 300 Гц. Колебания мощности на фотоприемнике от турбулентных потоков могут быть практически полностью устранены на данной экспериментальной установке. При разработке адаптивных оптических систем на базе программируемых логических интегральных схем удается расширить частотный диапазон работы всей адаптивной оптической системы вплоть до 4 кГц.
В нашей лаборатории оптические системы подобного типа разрабатываются и успешно применяются для компенсации фазовых флуктуаций, вызванных атмосферной турбулентностью», — отметил зав. лабораторией «Атмосферная адаптивная оптика» ИДГ РАН, профессор, доктор физико-математических наук Алексей Кудряшов. После того, как будут отработаны все методики эксперимента, исследования будут продолжены на системах квантовой связи, которые подготовлены на стендах в МТУСИ.
