Современный мир буквально живет по часам спутников. Мобильная связь, банковские переводы, работа самолетов, судов и служб экстренного реагирования нуждаются в сверхточных сигналах времени, которые передают навигационные спутники с атомными часами на борту.
Эта система называется GNSS и включает в себя GPS и другие глобальные навигационные сети. Но у такой зависимости есть уязвимость: если сигнал спутника намеренно заглушить или подменить, могут выйти из строя критически важные системы. В зонах конфликтов помехи и подделка GNSS-сигналов уже стали реальностью и используются как элемент радиоэлектронной борьбы. Потеря навигации и синхронизации военных и гражданских систем на земле, в воздухе, на море и в космосе чревата серьезными последствиями.
Чтобы создать более устойчивую и защищенную «опору по времени», исследователи CSIRO в рамках проекта Минобороны Австралии разработали необычное устройство — переносимый квантовый источник света, который генерирует поток так называемых запутанных фотонов. Эти «квантовые близнецы» открывают путь к защищенной синхронизации часов между Землей и спутниками.
Устройство, получившее название CSIRO Quantum Light Source, на вид — всего лишь неприметный ящик из металла и пластика. Внутри скрыт рабочий модуль — «мозг» системы, где создаются пары фотонов. Их пропускают через простой стеклянный куб, в котором за счет нелинейного оптического эффекта пары частиц, летящих в противоположные стороны, переходят в состояние квантовой запутанности.
Суть запутанности в том, что состояние двух фотонов жестко связано: изменение одного мгновенно отражается на другом, даже если они разделены между собой сотнями и даже тысячами километров. Один фотон можно оставить на Земле, а его «партнера» отправить на спутник. Несмотря на расстояние, пара остается связанной, и это можно использовать для точной и одновременно защищенной передачи временных меток.
Квантовая запутанность крайне чувствительна к любому вмешательству. Попытка перехватить или подменить сигнал меняет квантовое состояние, и это сразу заметно при измерениях. Поэтому, если злоумышленник пытается «подсунуть» ложный сигнал синхронизации, система тут же фиксирует нарушение и может переключиться на другой канал. Такой подход называют распределением запутанности, и благодаря этому такой канал связи по сути невозможно взломать в классическом понимании.
Главное достижение команды CSIRO — то, что источник сделан не только высокопоточным, но и портативным, рассчитанным на развертывание в реальных условиях вне лаборатории. Изначально опираясь на разработки коллег из университета Хериот-Уатт (Шотландия), инженеры адаптировали идею к полевым условиям.
Хотя проект ориентирован прежде всего на оборонные нужды, его потенциальная польза может применяться в самых разных сферах. Устойчивая к помехам синхронизация поможет защитить гражданские коммуникации, энергосистемы, транспорт, финансовые сети — любые инфраструктуры, которые зависят от точного времени.
