Tworzą kosmiczne pamięci Flash i pracują nad rozwojem komunikacji kwantowej. Co warto wiedzieć o SYDERAL Polska?

Komunikacja kwantowa – gwarant bezpieczeństwa komunikacji w przyszłości

Bezpieczeństwo obecnie stosowanych metod szyfrowania komunikacji opiera się na wymagających nawet dla superkomputerów operacjach matematycznych, głównie problemie faktoryzacji na liczby pierwsze. Sytuację zmieni jednak już trwający rozwój komputerów kwantowych, które będą w stanie rozwiązać te problemy w znacząco krótszym czasie. Odpowiedzią na to zagrożenie jest komunikacja kwantowa. Opiera się ona na wykorzystaniu praw mechaniki kwantowej w procesie dystrybucji klucza kwantowego (ang. quantum key distribution – QKD). Jak potwierdza SYDERAL Polska - ten model będzie niebawem najbezpieczniejszym sposobem transmisji danych, którego nawet komputery kwantowe nie będą w stanie złamać.

Współczesny świat opiera się w dużej mierze na pozyskiwaniu i przesyłaniu informacji. Szczególną ich część stanowią tajne dane rządowe, medyczne czy personalne. Niebezpieczeństwo złamania obecnie stosowanych metod szyfrowania miałoby bardzo negatywne skutki nie tylko dla państw i organizacji, ale także dla osób prywatnych. Stąd, jak podkreśla SYDERAL Polska, już teraz należy skupić się na rozwoju technologii komunikacji kwantowej, a tym samym zadbać o bezpieczeństwo naszych danych w przyszłości.

Dystrybucja klucza kwantowego w przestrzeni kosmicznej

Proces generowania klucza kwantowego jest idealnie losowy. Dzięki temu, według praw fizyki, oparta na nim komunikacja kwantowa jest uznawana za idealnie bezpieczną. Dodatkowo jak wynika z prawa o nieklonowaniu fotonów, każda próba podsłuchania takiego sygnału może być wykryta przez odbiorcę, dzięki sprawdzeniu wartości tzw. nierówności Bella dla klucza kwantowego. Wygenerowany klucz może być wykorzystany do zaszyfrowania informacji przesyłanej, np. przez internet lub drogą radiową.

Jak przekonuje SYDERAL Polska, dystrybucja klucza kwantowego z wykorzystaniem satelitów ma przewagę nad wykorzystywaniem do jego dystrybucji światłowodów, gdzie efektywna transmisja jest ograniczona do odległości ok. 100 kilometrów. Właściwości fizyczne światłowodu sprawiają, że wraz ze zwiększającym się dystansem sygnał ulega coraz większej degradacji, tłumieniu. Stąd powstanie koncepcji, według której klucz będzie generowany na pokładzie satelity i stamtąd przesyłany bezpośrednio do optycznych stacji naziemnych, które mogą być rozlokowane na całym świecie.

SYDERAL Polska stawia na rozwój technologii kwantowych

Działalność SYDERAL Polska na tym polu rozpoczęła się od współpracy w kraju, podejmowanej m.in. z Uniwersytetem Gdańskim oraz Uniwersytetem Mikołaja Kopernika w Toruniu. Obecnie w laboratorium firmy znajduje się prototypowe źródło splątania kwantowego stworzone przez grupę dr. hab. Piotra Kolenderskiego z UMK w Toruniu.

Proces generowania klucza zachodzi tu w układzie optycznym, gdzie zainstalowany jest laser, który tworzy wiązkę światła padającą na kryształ nieliniowy. W procesie fluorescencji parametrycznej powstają pary splątanych fotonów. Po przejściu przez zestaw filtrów i ponownym skupieniu do światłowodów są one następnie rejestrowane przez detektory, a odczytywany sygnał stanowi podstawę do wygenerowania klucza kwantowego.

Elektroniczny układ sterujący produkcji SYDERAL Polska odpowiada m.in. za kontrolę i modyfikację temperatury lasera i kryształu, co w efekcie sprzyja lepszej jakości sygnału i pozwala uzyskać więcej par splątanych fotonów w danej jednostce czasu. W rezultacie oznacza to wytworzenie dłuższego klucza, dzięki któremu będzie można zaszyfrować więcej danych. Urządzenia te docelowo mają znaleźć się na pokładzie satelitów generujących klucz kwantowy. Wytworzony klucz szyfrujący następnie zostanie użyty do późniejszego zabezpieczenia komunikacji lub zapisu danych.

Celem gdańskich inżynierów jest uczestnictwo w koordynowanym przez ESA projekcie SAGA, który będzie pierwszą w Europie w pełni operacyjną demonstracją satelitarnej dystrybucji klucza kwantowego. Projekt SAGA ma się stać się częścią europejskiej Infrastruktury Komunikacji Kwantowej, (ang. Quantum Communication Infrastructure - QCI), tworząc podwaliny pod europejski system komunikacji kwantowej.

Pamięć Flash na potrzeby misji satelitarnych, czyli bezpieczne gromadzenia danych w kosmosie

Kolejnym obszarem, który SYDERAL Polska intensywnie rozwija w swoim laboratorium, są nowej generacji moduły pamięci masowej Flash. W przyszłości, gdański projekt ma szansę stać się stałym komponentem komputerów pokładowych wykorzystywanych przez Europejską Agencją Kosmiczną. Celem wielu misji kosmicznych jest zgromadzenie, zapisanie, a następnie przesłanie na Ziemię dużych ilości danych. Promieniowanie kosmiczne i warunki panujące na orbicie są jednak szkodliwe dla wykorzystywanych na Ziemi nośników pamięci, stąd potrzeba dostosowania ich do bardziej wymagającego środowiska kosmicznego.

SYDERAL Polska wykorzystuje kości pamięci Flash, które zostały scharakteryzowane pod kątem wpływu promieniowania na przechowywane w nich dane. Poza wymaganymi zabezpieczeniami przed promieniowaniem kosmicznym, rozwiązanie opracowane przez gdańskich inżynierów charakteryzuje się znacząco wyższą prędkością zapisu i odczytu danych oraz modułową architekturą. Aktualnie firma prowadzi prace nad rozwojem kontrolera, który odpowiadać będzie za to, gdzie zapisywane są dane i w jaki sposób są one zabezpieczane. Ten „mózg" modułu pamięci masowej sprawdza również poziom wykorzystania poszczególnych sektorów i bloków, a także kontroluje prędkość zapisu, odczytu oraz odpowiada za komunikację.

Modelowy układ pamięci od SYDERAL Polska charakteryzuje się pięcioma kośćmi pamięci Flash. Cztery z nich są wykorzystywane do zapisu, a dodatkowa piąta jest zapasem, który w razie potrzeby umożliwia zastąpienie uszkodzonych sektorów i odzyskanie danych. W docelowym rozwiązaniu jeden moduł będzie mieć 2 Tb (terabity) pojemności. Szybkość zapisu i odczytu danych będzie z kolei uzależniona od zastosowanego interfejsu. Obecnie planowane jest wykorzystanie protokołu SpaceFibre, który umożliwia transmisję danych z prędkością do 6,25 Gbps.

Krok do standaryzacji zarządzania danymi na orbicie

Projekt pamięci masowych pod nazwą Flash Memory Module (FMM) realizowany jest przy współpracy SYDERAL Polska z Europejską Agencją Kosmiczną w roli zleceniodawcy oraz firmą Beyond Gravity (dawniej RUAG Space), przyszłym klientem końcowym dla tworzonego rozwiązania. Współpraca z klientem już na etapie rozwojowym ma umożliwić gdańskiemu zespołowi jeszcze lepsze dostosowywanie finalnego rozwiązania do przyszłego standardu ADHA (ang. Advanced Data Handling Architecture). Jest to planowany przez ESA system standaryzacji w zakresie podsystemu zarządzania danymi na pokładzie satelity, tak aby większość realizowanych przez agencję misji bazowała na powtarzalnych i sprawdzonych rozwiązaniach, co pozwoli m.in. na minimalizację ryzyka i optymalizację kosztową kolejnych misji.

Model demonstracyjny modułu pamięci masowej opracowany przez SYDERAL Polska będzie gotowy w drugim kwartale 2023 roku. Gdańska spółka myśli już o kolejnym projekcie, czyli budowie dedykowanego modułu pamięci, który miałby być użyty w docelowym komputerze pokładowym. Spółka planuje wykorzystać swoje doświadczenie w tym obszarze i zaproponować wykorzystanie pamięci masowych Flash w najbliższych misjach naukowych oraz obserwacji Ziemi ESA, oraz na rynku komercyjnym.

Polski wkład w misję ClearSpace‑1

Wśród obecnie prowadzonych przez SYDERAL Polska projektów warto wymienić także rozwój jednostki przetwarzania danych RVSPU (Rendez-Vous Sensor Processing Unit) na zlecenie firmy ClearSpace. Układ docelowo ma przetwarzać dane, spływające z czujników podczas zbliżania się statku kosmicznego ClearSpace-1 do bezwładnie krążącego po niskiej orbicie okołoziemskiej zużytego, górnego stopnia rakiety nośnej. Śmieć kosmiczny zostanie wtedy przechwycony przez ramiona robotyczne statku kosmicznego, a następnie zdeorbitowany przy pomocy silników manewrowych, co spowoduje spalenie się tych połączonych obiektów w atmosferze ziemskiej. Dzięki rozwijanemu przez SYDERAL Polska urządzeniu satelita po odebraniu danych z sensorów będzie w stanie wyznaczyć swoje położenie względem kosmicznego śmiecia. Wszystkie układy elektroniczne - prototypy, układy testowe, jak i wersje finalne - lotne, zostaną w całości wyprodukowane w Polsce, a start pierwszej, demonstracyjnej misji jest przewidywany na rok 2024.

Relacja powstała we współpracy z Syderal Polska