افتتح مركز علوم وتكنولوجيا الكم في جامعة تل أبيب أول محطة أرضية في إسرائيل، ومن بين الأكثر تقدما في العالم، لتتبع الأقمار الصناعية. يتضمن المشروع، الذي تدعمه وكالة الفضاء الإسرائيلية في وزارة الابتكار والعلوم والتكنولوجيا، محطة تتبع ستستخدمها الكيانات الحكومية والتجارية من إسرائيل وحول العالم للتحقق من صحة أقمارها الصناعية في المدار. لكن هذه ليست سوى البداية. على المدى الطويل، تهدف المحطة إلى إثبات الجدوى التكنولوجية للاتصالات البصرية، وبعد ذلك الاتصالات البصرية الكمومية، مع الأقمار الصناعية-وهي تقنية من المتوقع أن تُغير بشكل جذري قواعد لعبة التشفير، من مستوى الاتصال بين الكيانات المالية والعسكرية ، إلى مُستوى الواتساب الذي نُرسله.
تشتمل المحطة الأرضية على قُبة مرصد ساتلي بطول 4.25 مترا، ونظام تتبع، وكاميرا أولية وثانوية عالية السرعة، وأشعة ليزر، وكاشف فوتون واحد، وروبوت تتبع يتيح الحمل المتزامن لتلسكوبين. ويحمل الروبوت حاليا تلسكوبا قطره 61 سم، وسيُضاف إليه قريبا تلسكوب ثانِ، مُصمم للتصوير بالأشعة تحت الحمراء، تم شراؤه بدعم من وكالة الفضاء الإسرائيلية.
التحدي الأول الذي يواجه الفريق في جامعة تل أبيب- والذي يضم أيضا مدير التلسكوب ميخائيل توكران وطلاب البحث جواجي جري روزنمان، يوفال ريخس وتومر ناحوم- هو تتبع الأقمار الصناعية في الفضاء، وهي قدرة غير موجودة اليوم في إسرائيل. في الاتصالات "العادية"، يتواصل القمر الصناعي مع المحطات الأرضية بواسطة الراديو. هذا ليس تحديا كبيرا، حيث يتم توزيع الراديو كموجة واسعة. للاتصال البصري، أي إشارة الليزر، ثلاث مزايا: سيكون من الصعب جدا على طرف ثالث اعتراض المعلومات (سيتعين عليه وضع محطة أرضية قريبة جدا من خط الليزر بين المحطة المقصودة والقمر الصناعي)، يكون نقل المعلومات أسرع بكثير (على سبيل المثال مع مركبة مدارية تدور حول المريخ)، ومعدل تنزيل المعلومات على الأرض أسرع بكثير.
وبما أن كميات المعلومات المُتدفقة إلى الأرض من أقمار المراقبة والاتصالات تتزايد، لدرجة أن حتى الترددات الراديوية المخصصة لذلك بدأت تنفد، فإن عمالقة الفضاء مثل سبيس إكس وأمازون، ووكالات الفضاء مثل ناسا ووكالة الفضاء الأوروبية تحاول الوكالة التحول إلى الاتصالات الضوئية المعتمدة على الليزر. على سبيل المثال، تتواصل أقمار ستارلينك الصناعية بالفعل مع بعضها البعض باستخدام الليز، وقد تمكنت وكالة ناسا من إرسال لوحة الموناليزا لدافنشي إلى مدار استكشاف القمر (LRO) في عام 2013، وستُعيد مهمة بسيخا التي ستنطلق في أكتوبر من هذا العام النتائج إلى المحطة الأرضية باستخدام الاتصال البصري .
لكن من أجل التواصل بصريا مع قمر صناعي، يجب أولا تتبع جسم صغير بنجاح من مسافة طويلة – على ارتفاع مئات الكيلومترات – يطير بسرعة هائلة – تبلغ 26000 كيلومتر في الساعة. ومن أجل إثبات هذه القدرة، أطلقت جامعة تل أبيب الأسبوع الماضي (3.1) القمر الصناعي النانوي TAU-SAT3، والذي ستحاول المحطة الأرضية التواصل معه بصريًا.
يقول البروفيسور سوخوبسكي: "TAU-SAT3 هو قمر صناعي يبلغ قطره 30 سم". "في دقة المحطة الأرضية، هذا بكسل واحد يتحرك بسرعة كبيرة. تم تثبيت مصابيح ليد على هذا البكسل. إنه ليس ليزرا بعد ، أي أنه ليس اتصالا بصريا حقيقيا بعد، إنه مصباح ليد منتشر – لكنه سيساعدنا على مُعايرة المحطة الأرضية وإثبات أنه يمكننا فك تشفير البيانات البصرية من قمر صناعي على بعد 550 كم منا. بعد ذلك، سنحاول نقل اتصال الليزر إلى طائرة بدون طيار، والتي ستعيد الإشارة إلى المحطة باستخدام عاكس رجعي، وهو نظام مرايا سيتم تثبيته عليه. بعد ذلك سنقوم بقذف معلومات بواسطة الليزر من الطائرة بدون طيار الى المحطة الأرضية، وسنقوم بفك تشفير الإشارة الضوئية في مختبر مُجاور للتلسكوب. في الوقت نفسه، نقوم ببناء واختبار بروتوكولات للاتصال البصري الكمي داخل المختبر – أي بين جهاز استقبال وجهاز إرسال موضوعين على جانبي الجدول البصري، وبعد ذلك بين المباني المجاورة –. كل هذه خطوات أولية نحو الهدف النهائي: اتصال بصري كمّي حُر، والذي سيغير قواعد اللعبة."
تشفير قوي بالكامل
يقول رئيس مختبر أبحاث الفيمتو نانو البروفيسور حاييم سوخوبسكي: "الكأس المقدسة للمشروع هو إنشاء اتصال بصري كمي بين المحطة الأرضية والفضاء". "لكن من أجل الوصول إلى الكأس المقدسة، يجب أن نمر عبر ثلاث خطوات أولية: التتبع البصري للقمر الصناعي في مداره، وإنشاء اتصال بصري مع قمر صناعي، وإنشاء اتصال كمي هنا في الهواء - بين مبنيين هنا في الجامعة، بين محطة الأرض وبين دورون وبين محطة الأرض وطائرة بدون طيار. عندها فقط يمكن الجمع بين الخصائص الكمومية للضوء للتواصل الكمي مع الأقمار الصناعية في الفضاء."
يستخدم الاتصال الكمي الفوتونات المتشابكة الكمومية لنقل مفتاح يُتيح تشفير المعلومات. وفقا لمبادئ ميكانيكا الكم، فإن أي محاولة من قبل طرف ثالث لاستيعاب أو نسخ المعلومات من شأنها أن تدمر النسج وبالتالي تعطل الإشارة – فضح محاولة القرصنة لكلا الطرفين المتعاقدين.
يوضح البروفيسور عوز، رئيس مركز علوم وتكنولوجيا الكم:" يتم تشفير معظم حركة البيانات اليوم، على سبيل المثال بين البُنوك أو على الواتساب ، في بروتوكول RSA". "إن مفتاح تشفير RSA ليس سرًا، فهو ببساطة مشكلة رياضية معقدة للغاية يمكن أن يستغرق الكمبيوتر العادي وقتًا طويلاً لحلها - وخلال ذلك الوقت يتم تغيير المفتاح. يتمتع الكمبيوتر الكمي بالقدرة على فك تشفير RSA في غضون لحظات، لذلك هناك خوف حقيقي من خروقات قاعدة البيانات في المستقبل. في الاتصال الكمي، المفتاح هو مفتاح مناعي تمامًا، فهو موجود بيننا فقط، ولا يمكن لطرف ثالث استخدامه أو نسخه."
في الواقع ، التواصل الكمي موجود بالفعل. هكذا، على سبيل المثال، تقوم البنوك في سويسرا بنقل المعلومات فيما بينها عن طريق الاتصال الكمي، ولكن بمساعدة الألياف الضوئية - وهي محدودة بسبب تلاشي الإشارة إلى مدى يصل إلى حوالي 200 كيلومتر. تمتلك الصين شبكة كمومية قائمة على الألياف تربط بكين بشنغهاي، على بعد أكثر من 1000 كيلومتر- ولكن مع محطات ترحيل معقدة تنتج الكثير من الضوضاء المحيطة التي تُلحق الضرر بالإشارة ويمكن تفسيرها على أنها محاولة للاستماع إليها.
يقول البروفيسور عوز:" ليس من العملي نشر الألياف الضوئية بشكل آمن بين جميع الأطراف التي ترغب في نقل المعلومات المشفرة بينها". "لذا فإن التحدي الكبير هو إنشاء اتصال كمي يمكن تحقيقه من خلال وسيط فضائي. في عام 2016، أصبحت الصين الدولة الأولى، وحتى الآن الدولة الوحيدة التي تعلن عن نجاحها في القيام بذلك، عندما أظهرت الاتصال الكمي بين محطة أرضية وقمر صناعي. نحن نهدف لنفس الهدف."
لمشروع القمر الصناعي والمحطة الأرضية شركاء كثر في هيئة التدريس في جامعة تل أبيب، منهم البروفيسور عوفر عمراني الذي عمل كباحث رئيسي في المشروع، رئيس مختبر أبحاث الفيمتو نانو البروفيسور حاييم سوخوبسكي، البروفيسور مئير آرييل بالإضافة إلى طلاب الدكتوراه والطلبة الذين شاركوا في بحث وتطوير أنظمة الأقمار الصناعية: الدكتور دوليف باشي، عيدان فينكلشطاين، ميخائيل تسوكران، أوفير كوهين، دافيد جرينيرغ، باراك ليفي، ألون هرمتي، أون رنجينجد، أوفير يافيه، شاحار مورغ، أوري دجان، العاد سجي وأورلي بلومبرغ
