Firma GMV odegra decydującą rolę w Caramuel – pierwszej geostacjonarnej misji dotyczącej kwantowej dystrybucji kluczy

Firma GMV odegra istotną rolę w opracowaniu studium wykonalności Caramuel. Jest to pierwsza na świecie misja satelitarna na orbicie geostacjonarnej mająca na celu dystrybucję kluczy kryptograficznych za pośrednictwem komunikacji kwantowej – jednej z technologii, która w przyszłości zdefiniuje bezpieczną procedurę przesyłu informacji. Badanie to, finansowane przez Europejską Agencję Kosmiczną (ESA) w ramach programu ARTES 4S (Advanced Research in Telecommunication Systems – Space for Safety & Security), wspierane jest przez grupę hiszpańskich firm i organizacji o międzynarodowej renomie, kierowanych przez HISPASAT. GMV występuje tu w charakterze eksperta w zakresie przyszłego segmentu naziemnego Caramuel.

Komputery kwantowe zapewniają znacznie większą moc obliczeniową niż ta uzyskiwana przez komputery konwencjonalne, co ma kluczowe znaczenie dla rozwiązania pewnych problemów, takich jak rozkład na czynniki pierwsze, na których opiera się obecna asymetryczna kryptografia. Fakt ten będzie oznaczał zmianę paradygmatu bezpiecznej komunikacji, gdyż umożliwi atakującym – dysponującym komputerami kwantowymi – odszyfrowanie obecnych szyfrów w ciągu zaledwie kilku sekund. Z tego względu niezbędne jest opracowanie systemu, który umożliwi przesyłanie informacji z niezbędnymi gwarancjami bezpieczeństwa w rządowych środowiskach komunikacyjnych (cywilnych i wojskowych), przy zarządzaniu infrastrukturą krytyczną oraz aplikacjami i usługami o interesie gospodarczym, środowiskowym czy technologicznym, a także w obrębie dużych korporacji.

Bezpieczniejsza komunikacja

Obecnie kwantowa dystrybucja kluczy za pośrednictwem systemu komunikacji optycznej pozwala ze stuprocentową pewnością zweryfikować, czy zostały one przechwycone, gdyż ich integralność jest stale weryfikowana dzięki kwantowym właściwościom fotonów. Niemniej jednak sieci naziemne, takie jak światłowody, mogą zachować tę integralność tylko w odległości mniejszej niż sto kilometrów z uwagi na fakt, iż po przekroczeniu tej odległości występują w ich obrębie większe straty sygnału.

Wykorzystanie satelity do przesyłania kluczy za pośrednictwem komunikacji kwantowej pozwala natomiast pokonywać większe odległości, jako że tłumienie sygnału jest mniejsze na wolnej przestrzeni. Ściślej rzecz ujmując, zasięgi geostacjonarne na wysokości 35 786 km – w przeciwieństwie do innych orbit – umożliwiają nawiązanie tej komunikacji między całymi kontynentami za pośrednictwem jednego satelity, w sposób ciągły i bez konieczności ustanowienia monitoringu sygnału.

System Caramuel obejmuje kwantowy ładunek użyteczny przenoszony na satelicie geostacjonarnym, a także powiązany z nim segment naziemny, w ramach którego firma GMV prowadzi kluczowe pakiety prac w początkowej fazie studium wykonalności. Podczas gdy ładunek użyteczny składa się z precyzyjnego teleskopu, źródła fotonów – zdolnego do dostarczania na ziemię fotonu po fotonie w celu zachowania jego właściwości kwantowych – i całej powiązanej elektroniki, segment naziemny złożony jest z centrum kontroli oraz optycznych stacji użytkownika. Główną funkcją centrum kontroli jest nadzorowanie i kontrolowanie systemu Caramuel jako całości: zarówno systemu pokładowego, jak i sieci stacji naziemnych. Wspomniane stacje naziemne składają się, z jednej strony, z części optycznej z teleskopami (o średnicy obiektywu od 80 cm do 1,80 m) i odbiornikami kriogenicznymi do indywidualnego wykrywania fotonów, a z drugiej – z części odpowiedzialnej za destylację kluczy, bezpieczne przechowywanie kluczy i zarządzanie nimi oraz połączenie z naziemną siecią kwantową. 

Najbardziej kluczowi użytkownicy systemu Caramuel będą dysponować własnymi teleskopami, aby nie musieć polegać na pośrednich sieciach naziemnych, a tym samym mieć zapewniony najwyższy stopień bezpieczeństwa. Z kolei użytkownicy komercyjni, którzy nie muszą mieć własnego teleskopu, będą mogli tańszym kosztem dołączyć do naziemnej sieci kwantowej, aż do momentu dotarcia do węzła pośredniego z teleskopem (stanowiącym własność usługodawcy), który z kolei przyłączy ich za pośrednictwem satelity do innych węzłów tego samego dostawcy lub innych dostawców. Uzyskana zostanie w ten sposób sieć o zasięgu globalnym.

Tym sposobem system Caramuel integruje się z infrastrukturami naziemnymi w celu zapewnienia kryptograficznej usługi kwantowej dystrybucji kluczy, która będzie łatwa w obsłudze i przejrzysta dla użytkownika końcowego. W celu weryfikacji koncepcji tej misji zostanie ustanowione połączenie satelitarne z kwantową dystrybucją kluczy kryptograficznych między dwoma węzłami, które z kolei są połączone infrastrukturą naziemną z ośrodkami nadawczymi i odbiorczymi sygnału, tj. z użytkownikami, którzy chcą udostępnić klucz, aby móc bezpiecznie szyfrować swoje wiadomości.

W studium wykonalności projektu Caramuel, prowadzonym przez HISPASAT, biorą udział firmy takie jak Alter, Banco Santander, BBVA, Cellnex, Das Photonics, Indra, Oesia, Quside, Sener, Telefónica i Thales Alenia Space España; oraz instytucje i uczelnie, takie jak hiszpańskie Krajowe Centrum Kryptologii (CCN), Wyższe Centrum Badań Naukowych (CSIC), Instytut Astrofizyki Wysp Kanaryjskich (IAC), Instytut Nauk Fotonicznych (ICFO), Krajowy Instytut Technologii Lotnictwa (INTA), Politechnika Madrycka (UPM) i Uniwersytet w Vigo.

Caramuel – kluczowy wkład w bezpieczną przestrzeń europejską

W czerwcu 2019 r. Komisja Europejska (KE) ogłosiła swój manifest na rzecz European Quantum Communications Infrastructure – EuroQCI, która w ciągu najbliższych lat wdroży pierwsze węzły komunikacji kwantowej w różnych krajach UE. Te węzły o zasięgu metropolitalnym będą ze sobą wzajemnie połączone za pośrednictwem satelitów, aby zagwarantować ich solidność. W tym celu promowany przez KE system bezpiecznej łączności satelitarnej obejmie między innymi wspomniane połączenia satelitarne infrastruktury EuroQCI. Projekt Caramuel stanowić będzie duży wkład Hiszpanii w rzeczone europejskie inicjatywy.

Badania wykonalności projektu Caramuel, które rozpoczęły się formalnie w maju po przeprowadzeniu szeregu wstępnych analiz, mają się zakończyć w październiku bieżącego roku. Obecnie trwają prace nad wstępnym zdefiniowaniem systemu kwantowej dystrybucji kluczy – w szczególności jego kompleksowej architektury, której priorytetowym celem jest integracja z naziemną siecią kwantową – a także nad analizą rzeczywistych przypadków zastosowań z sektorem bankowym oraz z operatorami naziemnymi. Priorytetowym celem projektu Caramuel jest dostosowanie się do istniejących standardów komunikacji kwantowej, jak te tworzone przez Międzynarodowy Związek Telekomunikacyjny (International Telecommunications Union – ITU) czy Europejski Instytut Norm Telekomunikacyjnych (European Telecommunications Standards Institute – ETSI).