За първи път: Американски учени демонстрираха квантова комуникация в ядрен реактор

Изследователи от университета „Пърдю“ и Националната лаборатория „Оук Ридж“ (ORNL) в САЩ успешно демонстрираха сигурни квантови комуникации в ядрен реактор под напрежение. Изследователите са използвали квантово разпределение на ключове (QKD) от Toshiba в реактора PUR-1 на „Пърдю“, за да постигнат това първо в света прилагане на квантово криптиране в ядрено съоръжение.

Тъй като световният енергиен сектор търси по-чисти начини за захранване на икономиката, технологията за ядрено делене е готова за голямото си завръщане. Вместо мащабни проекти, енергията, базирана на ядрено делене чрез използването на малки модулни реактори (SMR) и микро-реактори, вероятно ще захранва нашето бъдеще без въглеродни емисии.

Въпреки че рисковете от радиоактивни отпадъци са по-малки при тези реактори от ново поколение, опасенията за сигурността остават същите. Една кибератака срещу ядрен реактор може да предизвика хаос и паника сред обществеността. Настоящите средства за криптиране са мощни, но с напредъка на квантовите изчисления тези защитни мерки скоро могат да остареят.

Тук квантовото криптиране може да помогне, но учените трябва да знаят дали технологията може да работи в чувствителната среда на ядрен реактор, което прави PUR-1 логичен избор.

Технологията за ядрена енергия се използва в САЩ от 60-те години на миналия век. Индустрията обаче не е възприела цифровата трансформация за своите операции. Дори когато други държави преминаха към цифрови системи за управление на своите реактори, PUR-1 е първият и единствен изцяло цифров ядрен реактор в САЩ, който разчита на екрани, клавиатура и Ethernet кабели вместо на копчета и аналогови системи за управление на операциите.

Системата за измерване и контрол е изцяло цифрова, което я прави идеална платформа за тестване на технологии за квантово криптиране.

Изследователите си сътрудничат с Toshiba, за да тестват QKD системата на реактора. За разлика от конвенционалните системи за криптиране, QKD използва квантовата механика и използва измерването на квантовата механична система за нарушаване на квантовите състояния, което позволява лесно да се разбере дали някой е „подслушал“ информацията и каква част от нея е била загубена.

Изследователите тестват системата за квантово криптиране, като свързват два възела към реактора. Те са обменяли сигурни квантови ключове по оптичен кабел. За да симулират сценарии за внедряване, изследователите въведоха линии за забавяне, за да въведат разстояние и смущения между възлите и допълнително провериха тяхната ефективност.

Системата демонстрира стабилна скорост на генериране на ключове от 320 килобайта в секунда и работи с 3,8% шанс за грешка на разстояние 54 километра. Когато се ограничава до 68 сигнала от ядрото, изследователите добавят, че еднократното криптиране (OTP) работи на разстояние 135 километра, което достатъчно добре представя поведението на реактора.

Закъснението на системата за криптиране/декриптиране остава под половин секунда, което е доста под оперативните прагове, като изследователите са намерили и начини за буфериране на резервни ключове в случай на отказ на QKD връзката.

Въпреки че работата е обещаваща, изследователите не са оценили системата в среда с висока радиация – нещо, което те планират да постигнат в бъдещата си работа.

Резултатите от изследването са публикувани в пре-принт документ.