Сергей Кынев
Начальник отдела научных исследований СМАРТС-Кванттелеком
В предыдущих статьях мы уже подробно разбирали, как квантовая связь выходит за пределы лабораторий и поднимается в космос. Мы говорили о спутниковых экспериментах, передаче квантовых состояний через атмосферу и о том, почему именно космические каналы сегодня считаются ключевым элементом будущего глобального квантового интернета.
Если сильно упростить, космическая квантовая связь нужна прежде всего для дальности. Спутники позволяют распределять квантовые ключи на тысячи километров, обходя ограничения оптоволокна и географии. Но у такого подхода есть и обратная сторона: узлы сети остаются либо стационарными, либо жёстко привязанными к орбитальной механике.
При этом «атмосферная квантовая связь» может применяться и в более «приземлённых» сценариях — дронах, автомобилях, мобильных узлах связи, которые могут появляться и исчезать, менять траекторию и работать лишь считанные минуты. Именно здесь квантовая криптография столкнется с самыми жёсткими ограничениями реальных условий: вибрациями, короткими сеансами связи всеми видами потерь сигнала в атмосфере.
В этой статье мы разберём работу, в которой квантовое распределение ключей впервые было продемонстрировано между полностью мобильными платформами — дронами и автомобилями, включая движение автомагистрали. Это не альтернатива космическим квантовым каналам, а их логичное дополнение: шаг от глобальной дальности к гибкой, динамической квантовой сети.
На первый взгляд может показаться, что квантовая связь между движущимися объектами — это всего лишь инженерная задача: лучше стабилизировать оптику, быстрее наводиться, аккуратнее фильтровать шум. Но на практике сценарий мобильной квантовой связи имеет несколько особенностей:
Почти все реальные демонстрации квантовой связи до сих пор опирались на как минимум один неподвижный узел. Это касается и спутниковых экспериментов, и систем «самолёт — земля», и наземных установок. Даже если одна сторона движется быстро, вторая остаётся стабильной точкой отсчёта, что сильно упрощает наведение, синхронизацию и анализ безопасности.
В мобильных сценариях резко сокращается время одного сеанса связи — дрон летает минуты, а автомобиль может находиться в зоне прямой видимости ещё меньше. Это означает, что стандартные оценки безопасности «в пределе бесконечно длинного ключа» здесь просто неприменимы.
Вибрации, повороты платформ, микросмещения оптики и атмосферные флуктуации. В результате параметры канала постоянно «плывут», что для квантовой криптографии особенно болезненно.
Именно поэтому мобильная квантовая связь — это не просто «квантовая рассылка ключа, но на дроне». Здесь приходится заново продумывать сразу несколько вещей — от протокола квантовой связи до архитектуры источников и приёмников и, главное, модели угроз, которые учитывают реальные, а не идеализированные устройства.
В работе, о которой мы говорим, авторы сознательно взяли самый жёсткий вариант: оба участника квантового канала находятся в движении, а безопасность доказывается в конечном режиме, с учётом всех экспериментальных несовершенств. Поэтому эксперимент интересен не рекордами, а самим фактом работоспособности.
Архитектура системы: как выглядит мобильный квантовый передатчик и приёмник
Ключевая идея всей работы — модульность. Авторы изначально проектировали систему так, будто им придётся постоянно переставлять её с одной платформы на другую. В итоге квантовый передатчик и приёмник представляют собой самостоятельные блоки, которые можно установить на дрон, автомобиль или любую другую мобильную платформу без изменения внутренней логики работы. Общая архитектура системы и сценарии её применения показаны на схеме ниже. Квантовые передатчики и приёмники выполнены в виде автономных модулей и могут устанавливаться как на дроны, так и на автомобили.
Важно, что эти модули не используют ресурсы носителя: они не подключаются к питанию дрона или автомобиля, не зависят от его вычислительных систем и не обмениваются с ними данными. Это решение продиктовано не только удобством, но и безопасностью — так минимизируются побочные каналы утечки сигнала.
Передатчик
В качестве источника квантовых состояний используется не лазер, а ослабленные резонансные светодиоды. Это не самый очевидный выбор, но он даёт важное преимущество: такие источники проще сделать компактными, устойчивыми и энергетически эффективными — критично для мобильных платформ.
Передатчик формирует три поляризационных состояния фотонов:
правую круговую (R),
левую круго��ую (L),
горизонтальную (H).
Первые два используются для генерации ключа, третий — для контроля ошибок и выявления возможного перехвата. Интенсивность импульсов случайным образом меняется (сигнал/ловушка/вакуум), что позволяет защититься от атак на разделение числа фотонов.
Отдельно стоит отметить, что все состояния проходят через общий пространственный и спектральный фильтр. Это сделано для того, чтобы минимизировать различимость состояний по побочным параметрам — длине волны, временной форме импульса и пространственному профилю. В мобильных сценариях такие «мелочи» особенно опасны, поскольку любая утечка информации быстро накапливается на коротких сессиях.
Приёмник
Приёмник построен по пассивной схеме: входящий сигнал случайным образом разделяется между измерительными базисами без активного переключения. В результате фотоны измеряются сразу в четырёх состояниях — R, L, H и V.
Такое решение слегка увеличивает аппаратную сложность, но даёт выигрыш в надёжности и упрощает анализ безопасности. Особенно это важно для мобильных платформ, где активные элементы переключения могут вносить дополнительные ошибки и задержки. Регистрация фотонов осуществляется однофотонными детекторами, а временные метки обрабатываются локально. Вся последующая классическая обработка — коррекция ошибок и усиление секретности — выполняется уже после завершения сеанса связи.
Наведение и удержание канала
Самым сложным элементом всей установки оказалась система наведения, захвата и сопровождения. Именно она отвечает за то, чтобы узкий оптический канал между двумя движущимися объектами вообще существовал.
Система наведения и сопровождения работает в два уровня:
грубое наведение с помощью поворотных платформ;
тонкая коррекция с помощью быстрых отклоняющих зеркал.
Для этого используются вспомогательные лазерные маяки на других длинах волн, которые не мешают квантовому каналу. Вся система работает в замкнутом контуре и не требует обмена служебными данными между узлами — каждый модуль сам «ловит» партнёра и удерживает линию визирования.
Практика показала, что именно система наведения во многом определяет стабильность канала: в экспериментах с автомобилями квантовая связь оказалась заметно устойчивее, чем в сценарии «дрон–дрон», просто из-за меньшего уровня вибраций.
Протокол и безопасность
Формально в эксперименте используется классический протокол BB84 с состояниями-ловушками, но в мобильных сценариях его приходится применять иначе, чем в стационарных системах. Ключевое отличие — работа в режиме ключей конечной длины. В большинстве демонстраций безопасность оценивается в предположении бесконечно длинного ключа, что плохо сочетается с реальностью: дрон летает минуты, автомобиль быстро покидает зону прямой видимости. Здесь безопасность должна доказываться на коротких сеансах — иначе её просто нет.
Для кодирования битов выбраны R- и L- поляризации. В отличие от линейных, они устойчивы к вращениям платформы, что критично при полёте или движении автомобиля. Горизонтальная поляризация используется как контрольная — для оценки ошибок и обнаружения вмешательства.
Поскольку система работает с ослабленными источниками, применяются состояния-ловушки для защиты от атак на разделение числа фотонов. Их вероятности подбираются с учётом потерь и шума канала, которые в мобильных условиях могут меняться прямо во время сеанса.
Отдельно стоит отметить модель угроз: авторы явно учитывают неидеальности источников и детекторов и приписывают их потенциальному перехватчику. Это снижает максимальную скорость генерации ключа, но даёт честное доказательство безопасности. Главный практический результат — во всех конфигурациях положительный секретный ключ удаётся получить за один непрерывный сеанс связи.
Результаты экспериментальных исследований
Авторы протестировали систему в нескольких конфигурациях, постепенно усложняя условия — от контрольных измерений до полностью мобильных сценариев. Такой подход позволил отделить влияние движения от шумов и ограничений самой оптической системы.
Прежде чем разбирать каждый сценарий по отдельности, имеет смысл посмотреть на сводные результаты экспериментов. В таблице ниже приведены скорости генерации секретного ключа и его суммарный объём для всех конфигураций — от лабораторных условий до движения на скоростях автомагистрали.
Конфигурация | Скорость движения | Средняя скорость секретного ключа | Общий объём секретного ключа |
Лабораторный стенд | — | 41,5 кбит/с | 3885 кбит |
Наземный стенд (на улице) | — | 6,1 кбит/с | 1278 кбит |
Дрон — дрон | зависание | 8,5 кбит/с | 1414 кбит |
Дрон — автомобиль | ~10 миль/ч (~16 км/ч) | 1,6 кбит/с | 204,5 кбит |
Автомобиль — автомобиль | 5 миль/ч (~8 км/ч) | 20 кбит/с | 1876 кбит |
Автомобиль — автомобиль | 70 миль/ч (~113 км/ч) | 2,5 кбит/с | 519 кбит |
Дрон — дрон
В самой жёсткой конфигурации оба узла находились в воздухе. Дроны зависали на высоте около 4 метров на расстоянии ~10 метров друг от друга. Канал оказался наиболее нестабильным из-за вибраций и микросмещений оптики, а передача периодически прерывалась для синхронизации данных.
Эксперимент «дрон–дрон» проводился в реальных условиях, без стационарных опор и стабилизаторов, что хорошо видно на фотографии ниже.
В результате эксперимента удалось получить:
скорость секретного ключа около 8,5 кбит/с;
суммарно — порядка 1,4 Мбит ключевого материала за один полёт.
Нестабильность мобильного канала хорошо иллюстрируется временной динамикой регистрации фотонов.
Для полностью мобильного квантового канала это показательный результат: даже в условиях постоянных возмущений безопасность сохраняется.
Дрон — автомобиль
В этом сценарии дрон и автомобиль двигались параллельно со скоростью около 10 миль/ч. Неожиданно именно эта конфигурация оказалась более стабильной, чем «дрон–дрон». Ниже показана экспериментальная конфигурация «дрон–автомобиль», в которой приёмник размещался на более стабильной платформе.
Приёмник находился в автомобиле, где уровень вибраций существенно ниже. В результате удалось передать:
~200 Кбит секретного ключа;
со средней скоростью 1,6 кбит/с на дистанции почти 800 метров.
Автомобиль — автомобиль
Самый наглядный эксперимент проводился между двумя машинами, движущимися по соседним полосам. Испытания прошли в двух режимах:
на закрытой трассе со скоростью 5 миль/ч (~8 км/ч);
на автомагистрали при 70 милях/ч (~113 км/ч).
Даже на такой скорости система продолжала работать, обеспечивая:
до 20 кбит/с при малых скоростях;
около 2,5 кбит/с на трассе.
С точки зрения практики важно не абсолютное значение, а сам факт: квантовый канал сохраняется даже при движении на скоростях обычного дорожного потока.
Ограничения работы
Несмотря на впечатляющие демонстрации, авторы не выдают работу за готовую технологию. Наоборот, ограничения системы сформулированы предельно чётко — и все они типичны для мобильной квантовой связи.
Первое и самое очевидное — работа только в ночных условиях. Днём солнечный свет создаёт слишком высокий уровень шума для однофотонных детекторов. В качестве решения предлагаются более узкие спектральные фильтры, пространственная фильтрация и жёсткие временные окна приёма, которые в сумме должны позволить работать и при дневном освещении.
Второе ограничение — дальность связи, которая в текущей конфигурации не превышает примерно 100 метров. Здесь узким местом является система наведения и мощности вспомогательных лазерных маяков. Авторы планируют перейти на более мощные, но безопасные для зрения лазеры в инфракрасном диапазоне, что должно существенно увеличить рабочую дистанцию.
Третья проблема — энергопотребление дронов. Квантовая полезная нагрузка по массе сопоставима с самим дроном, а время полёта ограничено несколькими минутами. Это накладывает жёсткие ограничения на длительность сеансов и высоту полёта. Улучшения здесь лежат скорее в области инженерной оптимизации и развития аккумуляторов, чем в самой квантовой физике.
Наконец, стоит понимать, что продемонстрированные скорости — от единиц до десятков килобит в секунду — не предназначены для передачи данных. Квантовый канал используется исключительно для распределения ключей, которые затем применяются в классических криптосистемах. В этом контексте такие скорости вполне достаточны.
Если убрать цифры и графики, ценность этой работы в другом: она показывает, что квантовая криптография может работать вне стерильных лабораторных условий — в движении, с вибрациями и короткими окнами связи.
