ارتباطات ماهواره‌ای در عصر حاضر به یک عنصر مهم و ضروری در ارتباطات تبدیل شده است و خدماتی از پخش گسترده تلویزیونی گرفته تا اتصال اینترنت و برقراری ارتباط صوتی به لطف آن با سرعت و کیفیت بهتر ارائه می‌شود. ماهواره‌های مخابراتی بسته به موارد استفاده، با فناوری‌های مختلف و برای فعالیت در مدارهای متفاوت توسعه می‌یابند.
برای مثال در ابرمنظومه‌های اینترنتی مدار LEO و یا ماهواره‌های پخش گسترده تلویزیونی مدار GEO مسئله حفظ امنیت ارتباطات به اندازه ماهواره‌های مخابراتی نظامی اهمیت ندارد. از این رو تولیدکنندگان ماهواره‌های مخابراتی غیر نظامی بیشتر بروی گسترش پهنای باند و افزایش محدوده پوشش متمرکز هستند.
اما در ماهواره‌های نظامی و دولتی برقراری ارتباط امن و جلوگیری از جاسوسی ماهواره‌ای و تخریب سیگنال‌ها از مهم‌ترین موارد است. بر همین اساس در مطلب حاضر به معرفی یکی از جدیدترین فناوری‌های توسعه‌یافته در این زمینه یعنی مخابرات کوانتومی ماهواره‌ای خواهیم پرداخت.
مکانیک کوانتوم و ارتباطات ماهواره‌ای
مکانیک کوانتوم (Quantum Mechanics) شاخه‌ای از علم فیزیک است که دنیای ذرات بسیار کوچک را مورد بررسی قرار می‌دهد. این شاخه از فیزیک، نتایجی عجیب را در پی دارد که در دنیای واقعی قابل توجیه نیستند. در مقیاس الکترونی و اتمی، بسیاری از معادلات فیزیک کلاسیک که توصیف‌کننده نحوه حرکت اجسام هستند، نمی‌توانند فیزیک مسائل را توصیف کنند.
در فیزیک کلاسیک، یک جسم در یک لحظه مشخص، در مکانی مشخص قرار می‌گیرد. این در حالی است که در مکانیک کوانتوم الکترون‌ها در فضایی احتمالی قرار دارند. در حقیقت احتمال وجود آنها در نقطه A، برابر با عددی مشخص بوده و در نقطه B، این احتمال عددی متفاوت است.
استفاده مکانیک کوانتومی به خصوص ارتباطات کوانتومی و محاسبات کوانتومی برای اجرای عملیات رمزنگاری و شکستن سامانه‌های رمزگذاری‌شده را رمزنگاری کوانتومی می‌گویند که بهترین کاربرد شناخته‌شده آن توزیع کلید کوانتومی (Quantum Key Distribution) می‌باشد.
توزیع کلید کوانتومی فرایند استفاده از تبادل کوانتومی را برای ایجاد یک کلید مشترک میان دو فرد A و B بدون آن که نفر سوم (C) هیچ اطلاعی از کلید به دست آورد را توصیف می‌کند. (حتی در صورتی که بتواند تمام مکالمات بین این دو نفر را شنود نماید).
برای رسیدن به این هدف فرد A قبل از فرستادن اطلاعات به فرد B آنها را به بیت‌های کوانتومی تبدیل می‌کند. در این حالت اگر شخص C تلاش کند این بیت‌ها را بخواند، پیغام‌ها مخدوش شده و A و B متوجه مداخله وی می‌شوند.
پس از انجام نخستین مطالعه در مورد توزیع کلید کوانتومی در سال ۱۹۸۴ بحث استفاده تجاری از آن فورا مطرح شد، چرا که امنیت آن بر اساس محاسبات سخت و پیچیده ریاضی تامین نمی‌شد؛ بلکه به فرآیندهای فیزیکی بستگی داشت که در مقابل ابررایانه‌هایی با قدرت پردازش بالا مقاوم بود.
روش‌های رمزگذاری مرسوم ممکن است در مقابل هکرهای این زمان مصون باشند اما قطعا در آینده ابزارهای قوی‌تری موفق به هک کردن آنها خواهند شد. مزیت اصلی رمزنگاری کوانتومی نسبت به بقیه روش‌ها این است که در مقابل پیشرفت‌های محاسباتی ایمن می‌ماند و اصطلاحا «امنیت پیشاپیش» (Forward Security) دارد. بنابراین پیام‌های مخابره شده از طریق آن به مدت طولانی قابل ذخیره هستند.
مکانیک کوانتوم منجر به اختراع ابزارهایی از جمله ترانزیستورها، مولدهای لیزر و… شده است و مخابرات کوانتومی نیز بخشی از فناوری‌های کوانتومی محسوب می‌گردد.
اساس کار ماهواره‌های کوانتومی
به طور دقیق‌تر، ماهواره‌های کوانتومی بر اساس درهم‌تنیدگی کوانتومی (Quantum Entanglement) توسعه یافته‌اند. درهم‌تنیدگی، یکی از عجیب و غریب‌ترین پدیده‌های فیزیک کوانتومی است که آلبرت اینشتین (Albert Einstein) حاضر نشد آن را بپذیرد. در این پدیده، دو ذره به هم مرتبط می‌شوند و هر تغییر در یکی از ذرات بلافاصله به تغییر وضعیت ذره دیگر منجر خواهد شد؛ حتی اگر دو ذره پس از درهم‌تنیدگی به دو سوی عالم منتقل شده باشند.
ویژگی کوانتومی درهم‌تنیدگی، اساس شبکه‌های ارتباطات امن کوانتومی را تشکیل می‌دهد، زیرا می‌توان هر گونه تداخل یا شنودی را تشخیص داد. در شبکه‌های ارتباطی کوانتومی، دو طرف ارتباط می‌توانند پیام‌های محرمانه خود را با به اشتراک گذاشتن کلیدی رمزی که بر اساس ویژگی‌های ذرات درهم‌تنیده کدگذاری شده است، انتقال دهند. ورود هر عنصر دیگری به این خط ارتباطی بر پدیده درهم‌تنیدگی تاثیر می‌گذارد و حضورش به سرعت آشکار می‌شود.
به عبارت دیگر در صورتی‌که یک هکر بخواهد این داده‌ها را بخواند، ذرات کوانتومی حامل پیام از بین می‌روند و بلافاصله ایستگاه‌های زمینی از بروز حمله آگاه می‌شوند. در تصویر زیر آنتن‌های مخابرات کوانتومی و نحوه برقراری ارتباط آنها قابل مشاهده است.
مخابرات کوانتومی زمین-پایه با بهره‌گیری از فیبرهای نوری تاکنون در فواصل چندصد کیلومتری آزمایش شده است. فوتون‌هایی که از طریق فیبرهای نوری یا اتمسفر زمین جابه‌جا می‌شوند، ابتدا پراکنده شده و سپس جذب می‌گردند که این روند نیازمند تقویت‌کننده‌هایی برای افزایش مسافت قابل پوشش سیگنال است؛ ضمن اینکه باید توجه داشت حفظ حالت کوانتومی فوتون‌ها در این شرایط بسیار سخت است. اما ارسال سیگنال‌ها در شرایط خلاء در فضا با برطرف‌سازی این چالش‌ها، برقراری مخابرات کوانتومی در فواصل بسیار بیشتر را ممکن می‌سازد.
در همین رابطه بخوانید: ماهواره کوانتومی چین رمز غیرقابل هک به ایستگاه زمینی ارسال کرد
برای ماهواره‌های کوانتومی مدارهای LEO و GEO بهترین گزینه‌ها هستند. اگرچه بیشتری برنامه‌های فعلی با هدف مدار LEO طراحی شده‌اند، ممکن است در آینده ماهوارههایی به مقصد مدار GEO نیز فرستاده شوند.
مزیت قرارگیری ماهواره‌های کوانتومی در مدار LEO این است که به واسطه نزدیک‌تر بودن به زمین، اتلافات ناشی از انکسار پرتوها را به حداقل می‌رساند، اما حرکت سریع این ماهواره‌ها نسبت به سطح زمین باعث می‌شود که هدف‌گیری دقیق و مخابره سیگنال دشوار باشد. در مدار GEO شرایط کاملا برعکس است؛ بدین معنی که ماهواره نسبت به زمین حرکتی ندارد اما به دلیل فاصله بسیار زیادتر، اتلافات سیگنال‌ها بیشتر است.
فعالیت‌های انجام‌شده و در دست اقدام در حوزه ماهواره‌های کوانتومی
با توجه به مزایای ذکرشده، توزیع کلید کوانتومی ابتدا در سال ۱۹۹۱ در فضا در فاصله ۳۰ سانتیمتری انجام گرفت. تا سال ۲۰۰۶ این فاصله به ۱۴۴ کیلومتر افزایش یافت و در سال ۲۰۰۸ سازمان فضایی اروپا مخابرات کوانتومی ماهواره‌ای را یکی از مهم‌ترین اهداف آینده خود عنوان کرد.
اما نخستین ماهواره کوانتومی جهان «آزمایش‌های کوانتومی در مقیاس فضایی» یا به اختصار QUESS نام دارد که با نام میسیوس (Micius) نیز شناخته می‌شود. این ماهواره که در آگوست ۲۰۱۶ به مدار SSO پرتاب شد، توسط آکادمی علوم چین (Chinese Academy of Sciences (CAS)) توسعه یافته است.
این ماهواره حدودا ۵۰۰ کیلوگرمی برای انجام یک ماموریت آزمایشی و اثبات فناوری طی یک بازه دو ساله برنامه‌ریزی شده بود اما همچنان فعال است. QUESS ظرفیت‌های مخابراتی محدودی دارد؛ از جمله اینکه برای برقراری ارتباط باید آنتن مورد نظر در خط دید آن قرار داشته باشد و فقط در هنگام نبود نور خورشید می‌تواند فعالیت کند.
در همین رابطه بخوانید: نظارت از راه دور بر دستگاه‌های کوانتومی در فضا امکان‌پذیر شد
تیمی که به سرپرستی پان جیانوی (Pan Jianwei)، فیزیکدان کوانتوم از دانشگاه علوم و فناوری چین (University of Science and Technology of China)، یک جفت فوتون در هم تنیده را در ماهواره QUESS تولید می‌کردند و هرکدام از آنها را به یک ایستگاه زمینی در این کشور مخابره می‌نمودند، با چالش‌های مختلفی مواجه شدند.
یکی از چالش‌های تیم این بود که باید مطمئن می‌شدند تک فوتون‌های ارسال‌شده از ماهواره‌ای دائما در حال حرکت، به هدفی یک متری در ایستگاه زمینی برسد. در این آزمایش تقریبا از ۶ میلیون فوتون ارسال‌شده، یکی به هدف رسید! با این وجود این ماهواره در دستیابی به اهداف خود موفق بوده است و قرار است ماهواره‌های بعدی میسیوس تا پایان ۲۰۲۰ ارتباط کوانتومی بین اروپا و آسیا، و تا پایان ۲۰۳۰ ارتباط کوانتومی در مقیاس جهانی را فراهم کنند.
به غیر از چین که با ماهواره میسیوس به نوعی سردمدار مخابرات کوانتومی ماهواره‌ای شده است، کشورهای دیگری نیز در این زمینه فعالیت‌هایی را شروع کرده‌اند. برای مثال دانشگاه ملی سنگاپور (National University of Singapore) در سال ۲۰۱۵ یک نانوماهواره حامل یک گره کوانتومی (quantum node) را به فضا فرستاده بود که البته آزمایشات ابتدایی‌تری را به نسبت ماهواره چینی انجام داد.
همچنین مرکز فناوری‌های کوانتوم (CQT) این کشور و شرکت بریتانیایی رال اسپیس (RAL Space) قصد دارند با توسعه یک ماهواره کوانتومی مکعبی تا سال ۲۰۲۱، آن را در دهه آینده به بازار تجاری جهانی وارد می‌کنند. بازار مخابرات کوانتومی، بازاری در حال ظهور است و انتظار می‌رود طی بازه ۲۰۲۰ تا ۲۰۳۰ به بیشینه ارزش ۲۰ میلیارد دلار برسد.
موسسه اطلاعات و فناوری ارتباطات ژاپن (NICT) در سال ۲۰۱۷ مخابرات کوانتومی فضا به زمین را به وسیله یک میکروماهواره آزمایش کرد. در این ماموریت آزمایش‌های انجام‌شده توسط میسیوس به کمک ماهواره‌ای با ابعاد کوچک‌تر انجام گرفت.
هند که رقیب مستقیم چین در صنعت فضا محسوب می‌شود، هنوز ماهواره کوانتومی به فضا نفرستاده است، اما بر اساس اخبار منتشرشده سازمان تحقیقات فضایی هند (ISRO) با یک موسسه تحقیقاتی به نام رامان (Raman Research Institute) برای توسعه نخستین ماهواره کوانتومی این کشور یک تفام‌نامه همکاری امضا کرده است.
در مورد پروژه ماهواره مخابراتی کوانتومی آمریکا اطلاعات چندانی در دسترس نیست؛ احتمالا به این دلیل که توسعه این فناوری در ایالات متحده در قالب یک پروژه نظامی طبقه‌بندی‌شده در حال انجام است. اما از کشورهای غربی در حال فعالیت در زمینه توسعه مخابرات کوانتومی می‌توان به کانادا اشاره کرد که سازمان فضایی آن (Canadian Space Agency) برنامه دارد با همکاری شرکت آمریکایی هانیول (Honeywell) تا سال ۲۰۲۲ میکروماهواره کوانتومی کیس ست (QEYSSat) را به فضا بفرستد.
نهایتا آژانس فضایی اروپا (ESA) در سال ۲۰۱۸ قراردادی را با شرکت ارتباطات ماهواره‌ای لوکزامبورگی SES Techcom S.A برای توسعه سامانه مخابراتی رمزنگاری کوانتومی کوارتز (QUARTZ) به امضا رساند. آژانس فضایی اروپا اعلام کرده است که کوارتز اولین گام تجاری در این راستا است و هدف از این نوع ارتباط ارائه یک سامانه قابل اعتماد و در دسترس جهانی می‌باشد. در جدول زیر خلاصه‌ای از اطلاعات پروژه‌های فعلی و آتی ماهواره‌های کوانتومی را مشاهده می‌کنید:
با موفقیت سازمان‌های دولتی در توسعه مخابرات ماهواره‌ای کوانتومی، احتمال دارد در آینده بخش خصوصی نیز وارد این حوزه شود. یک زمینه رشد احتمالی دیگر کوانتوم در صنعت فضایی، به کارگیری حسگرهای کوانتومی در ماهواره‌ها برای گرانش‌سنجی و اکتشاف مواد معدنی در اجرام فضایی می‌باشد.
نخستین گام‌ها در توسعه سامانه‌های کوانتومی فضاپایه، طی آزمایشاتی در ایستگاه فضایی، راکت‌های کاوش و نانوماهواره‌ها در حال انجام است. در مجموع می‌توان گفت که مخابرات کوانتومی ماهواره‌ای راه را برای پیاده‌سازی دیگر فناوری‌های کوانتومی در فضا باز می‌کند.
سرعت فعلی توسعه این فناوری امیدبخش آن است که حریم خصوصی ارتباطات در مقیاس جهانی در عصر ماهواره‌های قدرتمند کوانتومی حفظ شود و در همین حین مفهوم برقراری اینترنت کوانتومی به واقعیت نزدیک‌تر شود. مفهومی که با توجه به چالش‌های عنوان‌شده، کارشناسان فعلا آن را بعید می‌دانند.
علاوه بر این برخی محققان هشدار می‌دهند که ارتباطات کوانتومی ممکن است در معرض حملاتی از جانب هکرها قرار بگیرند که خود بر پایه کوانتوم توسعه یافته‌اند. به هر صورت با توجه به شرایط فعلی، دولت‌ها، کسب و کارها و سازمان‌های نظامی از برقراری ارتباطات امن در بستر مخابرات کوانتومی حمایت می‌کنند.