Квантовое распределение ключевых технологий может предоставить подводным лодкам возможность осуществлять безопасную связь, как на глубине, так и на скорости. Береника Бейкер (Berenice Baker) занимается исследованием высокоскоростной подводной связи на  таком уровне секретности, который охранялся бы самими законами физики.  

Проблемы связи на подводной лодке

Подводная связь ограничена глубиной, на которой подводные суда могут обмениваться информацией и скоростью, на которой они могут это делать в водной среде.

Однако в последнее время, ученые добились впечатляющих успехов в решении этой дилеммы с помощью метода, называемого квантовым распределением ключа (QKD).

QKD обещает обеспечить защищенную связь на основе принципов квантовой механики, без ущерба для скорости или принуждения подводной лодки подниматься ближе к поверхности воды.

Для того, чтобы подводная лодка сохранила бы все свои тактические преимущества, она должна оставаться под водой в смешанном слое воды, на глубине от около 60 до 100 метров ниже поверхности где их не могут обнаружить гидролокаторы. В настоящее время подводные лодки в погруженном состоянии используют радио на экстремально низких частотах (ЭНЧ) или очень низких частотах (ОНЧ), потому что только  экстремально низкие или очень низкие частоты могут проходить через воду на таких глубинах.

Однако использование ЭНЧ и ОНЧ  радио имеет ряд недостатков. Передающая часть должна иметь очень большую площадь. Это значит, что подводная лодка должна тащить с собой набор громоздких антенных кабелей. Кроме того как правило, ей надо маневрировать таким образом чтобы точно ориентироваться по определенному направлению, а также снижать скорость для достижения оптимального приема данных.

ЭНЧ и ОНЧ частоты имеют очень низкую пропускную способность: ЭНЧ поддерживает скорость несколько сотен бит в секунду, в то время как ОНЧ поддерживает скорость в несколько битов в минуту. Это  мешает передавать сложные данные, такие как видео.

Одним из возможных решений является проведение сеансов оптической связи с помощью лазера, концепции, которая носится в воздухе примерно с 1980-х годов, когда проводились эксперименты  с целью показать возможности эксплуатации оптического канала связи между подводной лодкой и бортовой платформой самолета.

Группа "Квантум Текнолоджиз" ( Quantum Technologies) работающая в ITT Exelis (компании занимающейся оборонными технологиями, которая  разрабатывает информационные, геопространственные, электронные и системы космической связи для Армии, Флота, ВВС и ВМФ США  – прим. переводчика) пошла еще дальше проведя исследования по реализации на практике, канала лазерной оптической связи между подводной лодкой и спутником или бортовой платформой самолета, с помощью квантовой информации.

Работа, которую ITT Exelis проводит для правительства США,  включает в себя исследования по широкому спектру вопросов связанных с квантовой информацией, включая разработку квантовых алгоритмов, квантовых датчиков и новых решений для квантовых систем связи.

Полностью защищенные ключи

Доктор Марко Ландзагорта (Marco Lanzagorta), директор группы Quantum Technologies в отделе информационных систем МТС Exelis, объясняет, что QKD является таким протоколом, который использует квантовую информацию для того, чтобы создать пару абсолютно безопасных ключей.

"Квантовая информация отличается от классической информации,  где единицей информации является бит,  который может принимать значение либо ноля, либо единицы", - объясняет Ландзагорта. "Единица квантовой информации – кубит, который представляет собой квантовое состояние фотона. Это может быть ноль, единица или наложение нуля и единицы. На самом деле  это скорее концепция информации, чем та система информации, которая известна нам, как классическая".

Квантовая информация обладает двумя важными свойствами для обеспечения связи. Она не может быть скопирована, а значит, ее нельзя подделать, и каждый раз когда наблюдатель  начинает измерять само квантовое состояние оно рассыпается, то есть его свойства очень трудно обнаружить.

Комбинирование этих свойств в QKD можно  использовать для создания абсолютно безопасных ключей, потому что их секретность гарантируют законы  самой физики.

Ландзагорта объясняет, что в традиционных криптосистемах - таких, как  широко доступные методы шифрования RSA, Диффи-Хеллмана ( Diffie-Hellman) и Эль-Гамаля (ElGamal) -  безопасность информации обепечивается путем решения очень трудной математической задачи.

Тем не менее, не существует официальных доказательств невозможности взлома такой математической задачи, например, первичной факторизации, как в случае с RSA, с помощью передовых алгоритмов. Кроме того, было высказано предположение о том, что гипотетические квантовые компьютера смогут  взламывать шифры такого типа с все более возрастающей скоростью. Таким образом, QKD  может предложить несравнимо более  безопасное решение этого вопроса.

Оптическая связь

Технология QKD уже существует и доступна в продаже, но в настоящее время для нее  применяются не фотоны, свободно проходящие через воздух или воду оптическое волокно, а оптическое волокно.

" На квантовых распределенных ключах с помощью фотонов, движущихся в свободном пространстве, проводились некоторые эксперименты ", - рассказывает Ландзагорта. "Совсем недавно на Канарских островах проводился эксперимент, где была осуществлена первая передача с помощью квантово распределенного ключа на расстояние в 144 км, который доказал, что такая передача квантовой информации возможна на практике.

"Другой эксперимент заключался в подключении наземной площадки к космической платформе, но мы работаем не по тематике наземных платформ, а связаны с подводной проблематикой”.

В дополнение к проблемам передачи фотонов через воду и воздух, исследователи должны установить лазерную связь между передатчиком и приемником на спутник или бортовую платформу самолета.

В настоящее время этот вопрос решается в компании QinetiQ , которая разрабатывает специализированную систему слежения.

После того, как устанавливается оптическая связь между подводной лодкой и спутником, вступает в действие система, которую изобретают в  ITT Exelis, которая включает QKD протокол для защиты канала связи. Это делается с помощью фотодатчика, работающего в так называемом режиме Гейгера, который считает фотоны,  поступающие в определенной поляризации.

"Для передачи квантовой информации, вам нужно что-то, что будет поляризовать фотоны, таким образом, чтобы квантовое состояние находилось бы в заданном режиме, а также, иметь фильтр, который будет определять это состояние в передатчике и приемнике", - сказал Ландзагорта.

"Вы не можете использовать для этого обычный лазер так, как вам понадобится специализированный фотонный лазер, который сможет посылать один фотон за раз, и при этом каждый фотон будет иметь четко определенное квантовое состояние".

Технико-экономическое обоснование

"В последнее время ученые добились впечатляющих успехов в решении этого вопроса с помощью метода, называемого квантовым распределением ключа (Quantum Key Distribution (QKD))".

Следующий этап программы будет претворяться в жизнь в лаборатории военно-морских исследований США в виде ряда экспериментов, для того, чтобы установить, насколько хорошо сохраняется квантовое состояние фотона, и как он проходит через воду, для того, чтобы проверить правильность теоретического технико-экономического обоснования разработанного компанией ITT Exelis.

Если эксперименты подтвердят теоретические модели и исследование перейдет на следующий этап, то в течение следующих пяти лет может быть создан экспериментальный прототип. Тем не менее, существует ряд факторов влияющих на проект с таким радикально новым подходом.

"Это не только научно-технический вопрос, но также и финансовый и политический вопрос", - утверждает Ландзагорта.

Однако, если люди которые придут во властные коридоры (имеются в виду предстоящие выборы в США - прим. переводчика) смогут довести дело до конца, то можно будет добиться больших результатов. Предлагаемая система потенциально может организовать абсолютно безопасную систему передачи данных, с высоким уровнем защищенности, на скорости до 170 Кб секунду, что примерно в 600 раз больше, чем пропускная способность существующих систем ОНЧ, а следовательно, эта система легко справится с передачей сложных данных, таких как видео.

Кроме того, подводные лодки,  имея такую систему, перестанут терять свою эксплуатационную эффективность или скрытность, так как им в принципе не надо будет замедлять свой ход, оставаться на глубинах менее 100 м или менять курс для сеанса обмена данными.

Эти проблемы будут решаться лазерной приемо/передающей системой, которая является частью разработок создаваемых в компании QinetiQ.

Тем не менее, весь успех зависит от того, как путешествие в воде влияет на фотон. "Самая большая проблема заключается в том, чтобы увидеть наилучший способ отправки одного импульса фотона таким образом, чтобы квантовое состояние было бы защищено, даже если он проходит через воду", - Ландхагорта. "Мы должны найти способ, чтобы сделать что-то вроде кодировки,  вроде коррекции ошибок кодирования, которая защитит квантовое состояние фотона, чтобы мы могли иметь более широкий круг операций".