Komunikacja laserowa umożliwiająca szyfrowanie danych między satelitami a Ziemią może stać się fundamentem przyszłych systemów opartych na sieciach satelitarnych. Naukowcy z UMK sprawdzili, jak duży wpływ mają turbulencje, wiatr oraz szumy pomiarowe na skuteczność kosmicznej dystrybucji kluczy kryptograficznych.
Światło zamiast fal radiowych, satelity zamiast kabli i szyfrowanie odporne na podsłuch – brzmi jak technologia przyszłości, ale właśnie nad takimi rozwiązaniami pracują badacze z Katedry Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej w Instytucie Fizyki na Wydziale Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UMK. Ich analizy pokazują, że największym przeciwnikiem nowoczesnych systemów może być sama atmosfera Ziemi. Wynikami najnowszych badań podzielili się w artykule Modeling Optical Key Distribution over a Satellite-to-Ground Link Under Weak Atmospheric Turbulence. Redakcja czasopisma "IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics" wybrała temat na okładkę numeru, czym potwierdziła znaczenie badań w obszarze bezpiecznej komunikacji. Autorami pracy (w kolejności) są naukowcy z Instytutu Fizyki naszego uniwersytetu: dr Artur Czerwiński i dr Mikołaj Lasota oraz badacze z Uniwersytetu Warszawskiego: dr Marcin Jarzyna, mgr Mateusz Kucharczyk, dr Michał Jachura oraz prof. dr hab. Konrad Banaszek.
Optyczna dystrybucja klucza
Nasza praca dotyczy protokołu Optycznej Dystrybucji Klucza (ang. Optical Key Distribution, OKD), który jest rozwiązaniem opracowanym i opatentowanym przez naukowców z Uniwersytetu Mikołaja Kopernika oraz Uniwersytetu Warszawskiego. Po stronie UMK autorami patentu są dr hab. Piotr Kolenderski, prof. UMK oraz dr Mikołaj Lasota – tłumaczy dr Artur Czerwiński. – Metoda OKD umożliwia ustanowienie bezpiecznego klucza kryptograficznego pomiędzy dwiema stronami poprzez modulację natężenia światła, czyli wysyłanie impulsów o różnej mocy (słabych oraz silnych kodujących odpowiednio cyfry 0 oraz 1 w systemie binarnym). Posiadanie wspólnego tajnego klucza pozwala następnie na wymianę zaszyfrowanych wiadomości bez ryzyka ich odczytania przez stronę trzecią.
W opublikowanym artykule naukowcy rozwijają tę koncepcję. Analizują m.in. możliwości zastosowania protokołu OKD w satelitarnej komunikacji optycznej, z uwzględnieniem wpływu turbulencji atmosferycznych.
Świetlna komunikacja
Komunikacja satelitarna kojarzy się dziś głównie z falami radiowymi, jednak coraz większe znaczenie zyskują systemy wykorzystujące światło laserowe. W takich rozwiązaniach dane przesyłane są za pomocą bardzo precyzyjnych wiązek laserowych pomiędzy satelitą a stacją naziemną. Technologia ta, określana jako komunikacja optyczna w wolnej przestrzeni, pozwala osiągać wysokie przepustowości i jednocześnie oferuje wysoki poziom bezpieczeństwa transmisji.
Autorzy badania skupili się na jednym z najważniejszych problemów związanych z tego typu łącznością, czyli ustanowieniu bezpiecznego klucza kryptograficznego między satelitą znajdującym się na niskiej orbicie okołoziemskiej a odbiornikiem na Ziemi. To istotne, ponieważ klucz kryptograficzny możemy porównać do cyfrowego kodu dostępu, który umożliwia szyfrowanie informacji i chroni komunikację przed podsłuchem.
W teorii przesyłanie danych za pomocą światła wydaje się bardzo efektywne, jednak w praktyce sygnał musi pokonać atmosferę ziemską. To właśnie atmosfera okazuje się jednym z największych wyzwań: różnice temperatur, ruchy mas powietrza i wiatr powodują turbulencje, które zakłócają propagację wiązki świetlnej. Główne efekty atmosferyczne obejmują fluktuacje natężenia światła, niewielkie lecz chaotyczne odchylenia kierunku transmisji oraz utratę przestrzennej jednorodności wiązki – tłumaczy dr Czerwiński.
Naukowcy opracowali model uwzględniający najważniejsze zjawiska wpływające na jakość połączenia. W analizie wzięto pod uwagę pochłanianie i rozpraszanie światła w atmosferze, straty wynikające z geometrii wiązki, błędy ustawienia nadajnika i odbiornika oraz losowe fluktuacje natężenia sygnału. Dzięki temu możliwe było realistyczne oszacowanie, jak dużo bezpiecznych danych można przesłać w różnych warunkach pogodowych i technicznych.
Szczególną uwagę poświęcono wpływowi turbulencji atmosferycznych wywoływanych przez wiatr.
– Porównaliśmy sytuacje, w których warunki atmosferyczne były stosunkowo stabilne, z przypadkami silniejszych zaburzeń powietrza. Wyniki pokazały, że wzrost turbulencji może znacząco obniżać wydajność bezpiecznej transmisji. Im bardziej niestabilna atmosfera, tym trudniej utrzymać wysoką jakość połączenia optycznego – wyjaśnia dr Czerwiński.
Bezpieczna komunikacja satelitarna dzięki polskiej technologii
Oprócz zmieniających się warunków atmosferycznych w badaniu uwzględniono obecność strony trzeciej, czyli podsłuchiwacza, który za pomocą własnego teleskopu może przechwycić część sygnału optycznego. Okazuje się, że protokół OKD zapewnia możliwość generacji bezpiecznego klucza kryptograficznego nawet w sytuacji, gdy podsłuchiwacz dysponuje przewagą wynikającą na przykład z lepszych warunków atmosferycznych lub większego teleskopu odbiorczego.
Wzięliśmy pod uwagę różne konfiguracje parametrów opisujących rolę podsłuchiwacza, a także różne scenariusze związane z szumem pomiarowym i schematami korekcji błędów po stronie odbiorcy. Oczywiście każdy z tych parametrów może istotnie wpłynąć na długość klucza kryptograficznego, ale nawet przy założeniu przewagi po stronie podsłuchiwacza nadal istnieje możliwość bezpiecznej komunikacji – mówi dr Czerwiński.
Z porównania wyników uzyskanych na podstawie protokołu OKD z rezultatami wynikającymi z zastosowania kwantowej dystrybucji (Optical Key Distribution, QKD) klucza można wyciągnąć interesujący wniosek. Badanie naukowców z UMK pokazało, że metoda OKD pozwala uzyskać klucz kryptograficzny nawet dziesięciokrotnie dłuższy niż QKD, również przy bardzo niesprzyjających warunkach.
Nasze badanie pokazało, że technologie kwantowe nie są jedynym kierunkiem rozwoju w zakresie cyberbezpieczeństwa. OKD to nowa i obiecująca metoda bezpiecznej wymiany informacji, a nasze badanie dostarcza kluczowej wiedzy na temat wydajności tego protokołu w warunkach satelitarnych – tłumaczy dr Czerwiński. – Zrozumienie wpływu turbulencji, szumów i błędów transmisji może pomóc w budowie bardziej niezawodnych i bezpiecznych sieci komunikacyjnych nowej generacji. Technologie tego typu mogą w przyszłości odegrać istotną rolę w globalnych systemach szyfrowanej komunikacji, łączących satelity, centra danych oraz naziemne sieci teleinformatyczne.