Возможный взлом спутника
Китайский спутник Micius стал первым в мире аппаратом, который показал возможность «невзламываемой» квантовой связи. Однако не так давно ученый из Сингапура с российскими корнями выложил на сайте arXiv.org препринт статьи, в котором он утверждает, что Micius мог быть уязвим для хакеров.
Александр Миллер, который сейчас работает в Национальном университете Сингапура, обнаружил, что из-за технической ошибки в работе лазеров на борту спутника злоумышленники потенциально могли бы перехватывать секретные ключи шифрования, которые передаются с помощью системы квантового распределения ключей (КРК). Про последнюю мы довольно подробно рассказывали в этом материале.
Стоит пояснить, что препринт статьи не является полноценной научной статьей, признанной научным сообществом. Перед публикацией научные статьи проходят длительный процесс рецензирования (проверку экспертами из разных областей). Чтобы статья вышла в научном журнале, особенно престижном и уважаемом, исследовательскому коллективу, как правило, приходится пройти тернистый путь. Препринты же ученые используют, чтобы сообщить о своих достижениях или важных открытиях и получить критику от коллег, которая поможет им либо подправить, либо пересмотреть свои результаты.
Предыстория исследований
Спутник Micius, запущенный в космос в 2016 году, с помощью частиц света (фотонов) генерирует и передает квантовый ключ, который используется для шифрования данных. Для защиты от взлома спутник использует два типа сигналов: основные и «обманные». Безопасность системы построена на том, что потенциальный взломщик не может отличить первые и вторые друг от друга.
Однако Миллер в своем препринте утверждает, что лазеры, создающие эти сигналы, работали несинхронно. Задержка между ними достигала 300 пикосекунд. Этот интервал времени для обычного человека незаметен, но для высокоточной техники этот временной разрыв является весьма ощутимым. Из-за этого фотоны «основного» и «обманного» лазеров прибывали на Землю в разное время.
Изучив экспериментальные данные сеансов связи между спутником и наземной российской станцией, исследователь выяснил: злоумышленник с высокоточным оборудованием потенциально мог бы определять тип сигнала (основной или «обманный») с точностью 98,7%. Это делает защиту с помощью передачи квантовых ключей через спутник бессмысленной. То есть при такой уязвимости квантовое шифрование становится бесполезным.
При этом проблема не в программном сбое, а в конструкции спутника, точнее, лазеров, которые отправляют сигналы. Аппарат Micius использует восемь отдельных лазеров, и их невозможно синхронизировать идеально. Однако эта рассинхронизация, согласно заявлениям китайских разработчиков, не превышала 10 пикосекунд. Новые данные, в случае их дальнейшего подтверждения сторонними специалистами, это опровергают.
Возможно, изначально расхождение в сигналах действительно составляло 10 пикосекунд, но позднее ситуация изменилась. Что стало причиной ухудшения синхронизации, неизвестно. В препринте Миллер предполагает, что со временем оборудование могло попросту деградировать (условия работы в космосе далеки от идеальных лабораторных).
Проблема еще и в том, что спутники не могут обновлять настройки лазеров с Земли. Получается, что исправить недочет, когда устройство находится на орбите, невозможно. Впрочем, согласно данным, которые мы получили от российских разработчиков, в 2021 году протестировавших систему КРК, пересылающую сигналы с Micius, спутник уже не работает.
Что открытие означает для будущего «квантового» шифрования через спутник
Исследование Миллера (повторимся, если оно будет подтверждено сторонними исследователями) важно для будущих систем КРК. Чтобы избежать взлома хакерами в дальнейшем, инженерам нужно будет улучшать синхронизацию лазеров. Также, вероятно, придется активнее тестировать оборудование перед запуском и добавлять спутникам возможность дистанционной донастройки лазеров.
Кроме того, Миллер полагает, что избежать использования данной уязвимости помогут альтернативные технологии шифрования, например, с использованием квантовой запутанности. Правда, как нам пояснили российские разработчики систем КРК, пока что в области шифрования с помощью квантовой запутанности существуют только теоретические работы.
Так или иначе, исследование Миллера порождает опасения в надежности квантового шифрования с использованием спутников в реальных условиях. Мы пообщались с генеральным директором российской компании QSpace Technologies Павлом Воробьевым чтобы понять, насколько серьезны подобные опасения, и каковы последствия исследования Александра Миллера.
Российские разработчики поспешили дистанцироваться от работы сингапурского ученого, однако поделились некоторыми интересными подробностями.
Мы хотели бы подчеркнуть, что господин Миллер не работает в компании QSpace достаточно длительное время, потому к статье мы никакого отношения не имеем. Так как мы не участвовали в написании данной статьи и не передавали какие-либо материалы господину Миллеру, то и прокомментировать его научные изыскания мы не можем. Это потребовало бы серьезных теоретических изысканий с нашей стороны.
Павел Воробьев также подчеркнул, что российские исследователи благодарны китайским коллегам за пилотный проект и проведение испытаний с использованием спутника Micius. Напомним, что тогда российские исследователи заявляли о передаче квантового ключа общим объемом 614 Кбит на расстояние 3 800 км. Линия, защитившая информацию с помощью квантовой криптографии, соединила российский Звенигород и китайский Наньшань. Команда QSpace получила ключи с помощью наземной станции в Звенигороде, а также провела эксперименты, которые использовались для создания технологий лазерной коммуникации.
К слову, сейчас QSpace Technologies развивает именно лазерные коммуникации, которые в дальнейшем можно будет использовать для обеспечения связи в том числе на Луне. «В Китае сейчас запущено новое поколение спутников, они передают данные на наземные станции», — отметил гендиректор QSpace.
Что касается квантовых коммуникаций, то чаще в СМИ появляется информация о разработке технологий квантового шифрования при передаче данных по оптоволокну. Как пояснил Павел Воробьев, в случае спутника фотоны (частицы света) передаются через открытое пространство. Это особенность технологии, так как на скорость и надежность генерации ключа влияют атмосферные факторы, смена дня и ночи и так далее. Однако достоинство спутников в том, что они могут «дотянуться» до труднодоступных точек на поверхности планеты.
«Наземная принимающая станция — это, по сути, телескоп. В нашем случае 60-сантиметровый, который детектирует пересылаемые фотоны. В пилотном проекте было две наземные станции. Это действительно серьезное оборудование, но оно может быть мобильным», — добавил Павел Воробьев.
В 2021 году мобильная станция дорабатывалась, и сейчас она используется для отработки технологии лазерной коммуникации.
Как пояснил генеральный директор QSpace, лазерком отличается от КРК. Это именно передача информации на высокой скорости, в то время как квантовое шифрование — это передача квантового симметричного ключа, который используется для дешифровки информации.
В препринте Миллера речь идет о протоколе КРК под названием BB84. Он много раз изучен и апробирован и считается безопасным. Однако, как отметил Павел Воробьев, передача по открытому пространству и через существующие оптические линии связи производится по-разному. Очевидно, что технологии спутниковой «квантовой связи» будут продолжать тестироваться и изучаться.