Przyszłość komunikacji. Komunikacja laserowa umożliwiająca szyfrowanie danych między satelitami a Ziemią może stać się fundamentem przyszłych systemów opartych na sieciach satelitarnych. W ich powstanie zaangażowani są naukowcy z Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu, którzy zbadali, 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 – nad takimi rozwiązaniami pracują badacze z Katedry Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej w Instytucie Fizyki na Wydziale Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UMK oraz naukowcy z Uniwersytetu Warszawskiego. Ustalili już, że największym przeciwnikiem nowoczesnych systemów może być sama atmosfera Ziemi.– Nasza praca dotyczy protokołu Optycznej Dystrybucji Klucza (ang. Optical Key Distribution, OKD), który jest rozwiązaniem opracowanym i opatentowanym przez naukowców z UMK oraz Uniwersytetu Warszawskiego. 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 – tłumaczy dr Artur Czerwiński.W artykule w fachowym piśmie „IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics” badacze przeanalizowali między innymi możliwości zastosowania protokołu OKD w satelitarnej komunikacji optycznej, z uwzględnieniem wpływu turbulencji atmosferycznych.Światło zamiast fal radiowychUczelnia zwróciła uwagę, że komunikacja satelitarna kojarzy się dziś głównie z falami radiowymi, jednak coraz większe znaczenie zyskują systemy wykorzystujące światło laserowe. W tych drugich dane przesyłane są za pomocą bardzo precyzyjnych wiązek laserowych pomiędzy satelitą a stacją naziemną. Technologia pozwala osiągać wysokie przepustowości i jednocześnie oferuje wysoki poziom bezpieczeństwa transmisji.Autorzy badania skupili się na jednym z najważniejszych problemów – ustanowieniu bezpiecznego klucza kryptograficznego między satelitą znajdującym się na niskiej orbicie okołoziemskiej a odbiornikiem na Ziemi. Taki klucz kryptograficzny można 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.Wiatr wpływa na bezpieczeństwo transmisjiNaukowcy opracowali model uwzględniający najważniejsze zjawiska wpływające na jakość połączenia – pochłanianie i rozpraszanie światła w atmosferze, straty wynikające z geometrii wiązki, błędy ustawienia nadajnika i odbiornika oraz losowe fluktuacje natężenia sygnału. Wskazano, że także wiatr może znacząco obniżać wydajność bezpiecznej transmisji. Dzięki temu możliwe było realistyczne oszacowanie, jak dużo bezpiecznych danych można przesłać w różnych warunkach pogodowych i technicznych.Oprócz zmieniających się warunków atmosferycznych uwzględniono również 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 – wyjaśnił dr Czerwiński.Czytaj także: Ogromne wiry sinic w pobliżu Zatoki Gdańskiej. Widać je nawet z kosmosu