О деятельности Центра квантовых коммуникаций Великобритании

Центр квантовых коммуникаций (Quantum Communications Hub, QCH) был создан в 2014 году на первом этапе реализации Национальной программы квантовых технологий (National Quantum Technologies Programme, NQTP) и является частью британской сети, состоящей из четырех технологических центров (хабов), каждый из которых объединяет несколько университетов, исследовательских институтов и промышленных предприятий.

QCH образован на базе Йоркского университета – координационной и ведущей организацией по научно-исследовательским работам в области квантовой коммуникации. Его академическими партнерами являются университеты Бристоля, Кембриджа, Глазго, Хериот Уотт, Кента, Оксфорда, Шеффилда, Стратклайда и Королевского университета Белфаста (Universities of Bristol, Cambridge, Glasgow, Heriot Watt, Kent, Oxford, Sheffield, Strathclyde and Queen’s Belfast). В образованный Центром консорциум также входит ряд крупных промышленных партнеров, таких как British Telecom (BT), ID Quantique и Teledyne e2v, а также организации государственного сектора, такие как RAL Space и Национальная физическая лаборатория (National Physical Laboratory, NPL).

Центр проводит исследования в области телекоммуникации, квантового распределения ключей (QKD), космической и спутниковой связи, квантового интернета, микроэлектроники, квантовой безопасности, постквантовой криптографии и стандартизации технологий нового поколения.

На первом этапе (2014-2019гг.) реализации национальной программы NQTP основной задачей QCH была разработка технологий квантовой безопасной связи, обеспечивающих их широкое использование и внедрение в стране, а также доведение их до стадии, готовой к коммерциализации.

Основные достижения Центра за первые пять лет включают:

1) создание и запуск первой в Великобритании квантовой сети, демонстрирующей, что квантовая защищенная связь может функционировать наряду с обычной высокоскоростной оптической связью, используя стандартное коммерческое оптическое волокно;

2) продвижение миниатюризации технологий квантового распределения ключей и демонстрация первой в мире зашифрованной их передачи от чипа к чипу;

3) демонстрация QKD в свободном пространстве между портативным устройством и настенным терминалом, что позволит разработать беспроводное QKD на короткие расстояния с непрерывной передачей доказательно безопасных ключей.

В частности было осуществлено:
• Развертывание нескольких квантово-защищенных сетей связи. Так, коммерческая оптоволоконная сеть компании British Telecom использует квантовое распределение ключей, поддерживая зашифрованную связь между деловыми и финансовыми центрами Лондона. Сеть QKD в г. Бристоле обеспечивает коммуникацию объектов, принадлежащих Национальному центру композитных материалов и Центру моделирования и симуляции.

• Создание специалистами Центра испытательного стенда масштабируемой квантовой сети на основе поляризационной запутанности. В основе работы стенда используется мультиплексирование по длинам волн, которое подходит для квантовых сетей в городских районах благодаря простоте подключения дополнительных пользователей. Была продемонстрирована квантовая сеть на десять пользователей с развернутыми оптоволоконными линиями связи с показателями стабильности поляризации и способности генерировать секретные ключи в течение 10,8 дней при средней эффективной скорости генерации кодов секретного ключа 3,38 бит/с.

• Разработка программного обеспечения Satellite Quantum Modelling & Analysis (SatQuMА) с открытым исходным кодом для определения конечной емкости ключа при спутниковом квантовом распределении ключей (SatQKD). Оно предназначено для обеспечения моделирования и анализа миссий SatQKD и доступно для загрузки на GitHub. Эта работа по моделированию дала ценную информацию для Центра по выбору оптимального места для создания своих узловых оптических наземных станций (HOGS). В перспективе ожидается, что она внесет вклад в моделирование и анализ дальнейших ключевых параметров (качество источника, фоновое освещение, геометрия эстакады и т.д.) и их влияния на проектирование и эксплуатацию спутниковой системы QKD.

• Изготовление прототипа портативного оборудования, реализующего QKD в свободном пространстве на коротких расстояниях. Оно может использоваться как для классической, так и для квантовой связи, что было продемонстрировано при беспроводной оптической передаче сигнала 1,6 Тбит/с и сопутствующего сигнала QKD по каналу связи длиной 2,5 м.

Кроме того, Центром достигнуты успехи в реализации новых подходов, выходящих за рамки QKD, таких как усовершенствование процесса обеспечения надежности квантовых генераторов случайных чисел (QRNG) и получение квантовых цифровых подписей, от лабораторных демонстраций на нескольких метрах оптического волокна до практических расстояний в 100 км в городских сетях.

Основные работы QCH в ходе реализации на втором этапе (2019-2024гг.) национальной программы квантовых технологий (КТ) заключаются в разработке квантовой безопасной связи на всех расстояниях, обеспечение интеграции этих технологий с традиционной коммуникационной инфраструктурой.

Основная деятельность Центра сосредоточена по следующим направлениям:

1. Создание волоконно-оптической квантовой сети UKQN с использованием инфраструктуры метрополитена в Бристоле и Кембридже и с подключением к ним Национального центра по исследованию сетей на основе темного волокна Великобритании (National Dark Fibre Facility, NDFF).

В настоящее время Центр занимается дальнейшим расширением и развитием UKQN, изучением новых сетевых подходов, испытаниями и демонстрацией технологий, а также их эксплуатацией для привлечения пользователей. Основное внимание уделяется разработке и проверке архитектуры, созданию эталонных архитектур для физического уровня и гибких сетей связи.

2. Разработка экспериментальных надежных высокоскоростных систем на основе протоколов квантового распределения ключей с непрерывной переменной (Continuous-Variable Quantum Key Distribution, CV-QKD) для безопасной связи по оптоволокну, в открытом космосе и спутниковой связи. Разрабатываются и внедряются передовые методы квантового кодирования и обработки данных, с целью значительного повышения практической надежности этих новых систем.

3. Разработка технологий квантовых сетей, обеспечивающих безопасную квантовую связь на средних и больших расстояниях в оптоволоконных сетях, охватывающих более двух соседних узлов. Конкретными целями по этому направлению являются:
• исследование практического многопользовательского распределения запутанности и разработка квантовых ретрансляторов для последующего внедрения в UKQN;
• разработка практических протоколов на основе сложных сетевых топологий, реализованных, например, через фотонные кластеры среднего размера;
• системная инженерия сетевого уровня, связанная со временем работы, совместимостью неоднородных компонентов подсистем, устойчивостью к потерям и шумам, межузловой синхронизацией и управлением трафиком.

Вся эта работа является шагом к достижению долгосрочной цели – созданию будущего квантового интернета.

4. Разработка портативной, надежной и недорогой системы QKD. Такая система QKD способна обеспечить будущий метод бесконтактных платежей, а также имеет широкий спектр других применений на ранней стадии. В Центре продолжается разработка систем для помещений, сочетающих оптоволоконные и системы QKD в свободном пространстве с малыми межканальными потерями. Это позволит создать внутрикомнатные архитектуры, сочетающие оптоволоконное распределение и беспроводную связь LiFi/RF для создания будущих безопасных беспроводных систем. В дальнейшей перспективе эти системы будут протестированы на UKQN и позволят обеспечить безопасность транзитных линий связи в мобильных сетях следующего поколения.

5. Разработка спутникового QKD, которое представляет собой эффективное решение проблемы ограниченного диапазона применения наземного оптического волокна для распределения ключей, тем самым расширяя использование QKD от города и межгорода до международных масштабов.

Основные работы сосредоточены по развитию спутниковой платформы для оптических квантовых коммуникаций (Satellite Platform for Optical Quantum Communications, SPOQC). Её основными компонентами являются: сам спутник, передатчики квантовых сигналов (полезная нагрузка) на спутнике и оптическая наземная станция с подключенными к ней соответствующими приемниками квантовых сигналов на земле.

Платформа будет состоять из 12 спутников CubeSat. Полезная нагрузка разделена на пять подсистем: центральный контроллер полезной нагрузки (Central Payload Controller, CPC); модуль выравнивания оптической передачи сигнала (Optical Transmission Alignment Module, OPTAM); лазерный маяк нисходящей линии связи (Downlink Laser Beacon, DLB); камера наблюдения за поверхностью Земли (Earth Observation Camera, EOCAM); собственно квантовая подсистема. Оптическая наземная станция (Hub Optical Ground Station, HOGS) будет установлена в кампусе Heriot-Watt недалеко от Эдинбурга, в Шотландии.

6. Дальнейшее развитие квантовых коммуникаций на основе чипов для обеспечения сетевой совместимости.
Так, лаборатория квантовых инженерных технологий (QET Labs) в Бристоле впервые создала систему QKD на кристалле, перенесла большую часть функций на кремниевую фотонику и продемонстрировала ранние возможности WDM для увеличения скорости передачи ключей. Кембриджский университет разработал архитектуру интегрированного сетевого коммутатора и, совместно с Йоркским университетом, новый, комбинированный классический и квантовый передатчик, основанный на протоколе CV-QKD. Основные исследования ведутся по увеличению скорости передачи данных между устройствами, при этом всегда учитывается совместимость с сетями.

7. Расширение теоретической и практической разработки схем для коммерчески значимых задач, включая токены, цифровые подписи и генераторы случайных чисел (RNG).Теоретические разработки направлены на оптимизацию эффективности, гибкости, безопасности и конфиденциальности токенов. Эффективные схемы квантовых подписей и передаваемые коды аутентификации сообщений реализуются с помощью технологии QKD, а также специализированных высокоскоростных компьютеров и программного обеспечения. Центр разрабатывает подробные теоретические модели для существующих квантовых RNG и сравнивает их с экспериментальными измерениями.

8. Разработка и производство в стране ключевых компонентов квантовых коммуникаций: однофотонных источников; источников пар запутанных фотонов; детекторов следующего поколения на однофотонных лавинных диодах (SPAD); и сверхпроводящих нанопроволочных однофотонных детекторов. Цель состоит в том, чтобы поддержать усилия во всех экспериментальных работах и консолидировать цепочки поставок Великобритании в этих стратегических основополагающих компонентах.

9. Работа над установлением стандартов, интерфейсов, спецификаций и характеристик компонентов для систем QKD и связанных с ними технологий.Для продолжения коммерциализации технологий квантовых коммуникаций и их полной интеграции в существующую инфраструктуру связи решающее значение имеет разработка общеотраслевых стандартов. Центр квантовых коммуникаций работает в этом направлении над поддержкой и разработкой документированных стандартов для технологий квантовых коммуникаций через таких партнеров, как Национальная физическая лаборатория и компанию Toshiba Europe Limited. Оба являются членами Группы отраслевых спецификаций Европейского института телекоммуникационных стандартов (ETSI) по квантовому распределению ключей.

10. Интеграция постквантовой криптографии с QKD.
Гибридные конструкции, интегрирующийся с существующей технологией QKD, также изучаются наряду с улучшениями постобработки (начиная с квантовых RNG).

11. Оценка безопасности компонентов, устройств, гибридных систем и сквозных решений.

Анализ криптографии и безопасности, исследование уязвимостей и тестирование в сочетании с разработкой контрмер – всё это проводится с точки зрения применения практичных и безопасных приложений и услуг для обеспечения коммуникации на любых расстояниях.

Таким образом, деятельность Центра способствует созданию экосистемы в области квантовых коммуникационных технологий, которая обеспечит Великобритании лидирующие позиции в мире на формирующихся рынках новых КТ с многомиллиардными оборотами и существенно повысит стоимость некоторых из крупнейших британских отраслей промышленности.

Кроме того, внедрение современных решений в области квантовой коммуникации позволит эффективно устранять угрозы информационной безопасности и обеспечить защиту национальных информационно-телекоммуникационных сетей, финансового сектора, государственных органов, крупных технологических компаний и владельцев критически важной информационной инфраструктуры.

#кванты #великобритания