המרכז למדע וטכנולוגיה קוונטית באוניברסיטת תל אביב חנך את תחנת הקרקע הראשונה בישראל, ובין המתקדמות בעולם, לעקיבה אחר לוויינים. הפרויקט, אשר נתמך על ידי סוכנות החלל הישראלית במשרד החדשנות, המדע והטכנולוגיה, כולל תחנת עקיבה שתשמש גופים ממשלתיים ומסחריים מהארץ ומהעולם שירצו לבדוק את בריאות לווייניהם במסלול. אולם זאת רק ההתחלה. בטווח הארוך, התחנה נועדה להוכיח את ההיתכנות הטכנולוגית של תקשורת אופטית, ובהמשך גם של תקשורת אופטית קוונטית, עם לוויינים – טכנולוגיה שצפויה לשנות מן היסוד את חוקי המשחק של הצפנה, החל מרמת תקשורת בין גופים פיננסיים וצבאיים, ועד לרמת הוואטסאפ שאנחנו שולחים.
תחנת הקרקע כוללת כיפת מצפה לוויינים בקוטר 4.25 מטרים, מערכת עקיבה, מצלמה מהירה ראשית ומצלמות משניות, לייזרים, גלאי פוטונים בודדים ורובוט עקיבה המאפשר נשיאה בו-זמנית של שני טלסקופים. בשלב זה הרובוט נושא טלסקופ בקוטר 61 ס"מ, ובקרוב יתווסף אליו טלסקופ שני, המיועד לצילום בתחום התת-אדום, שנקנה בתמיכת סוכנות החלל הישראלית.
האתגר הראשון שעומד בפני הצוות באוניברסיטת תל אביב – הכולל גם את מנהל הטלסקופ מיכאל צוקראן ואת סטודנטי המחקר גאורגי גרי רוזנמן, יובל רכס ותומר נחום – הוא לעקוב אחר לוויינים בחלל, יכולת שלא קיימת היום בישראל. בתקשורת "רגילה", הלוויין מתקשר עם תחנות הקרקע ברדיו. זה לא אתגר גדול, שכן הרדיו מתפזר כגל רחב. לתקשורת אופטית, כלומר לאיתות המידע בלייזר, שלושה יתרונות: יהיה קשה מאוד לצד שלישי ליירט את המידע (הוא יצטרך להציב תחנת קרקע סמוך מאוד לקו הלייזר שבין התחנה המיועדת ללוויין), העברת המידע מהירה הרבה יותר (למשל עם מקפת שמקיפה את מאדים) וקצב הורדת המידע לקרקע מהיר הרבה יותר.
מאחר שכמויות המידע הזורמות לכדור הארץ מלווייני תצפית ותקשורת הולכות וגדלות, עד כדי כך שגם תדרי הרדיו המוקצים לכך אוזלים, ענקיות חלל כמו ספייס אקס ואמזון, וסוכנויות חלל כמו נאס"א וסוכנות החלל האירופית, מנסות לעבור לתקשורת אופטית מבוססת לייזר. כך למשל, לווייני סטארלינק למשל כבר מתקשרים אחד עם השני באמצעות לייזר, נאס"א הצליחה לשדר בלייזר את המונה ליזה של דה וינצ'י למקפת לחקר הירח (LRO) ב-2013 ומשימת פסיכה שתשוגר באוקטובר השנה תחזיר את ממצאיה לתחנת הקרקע בעזרת תקשורת אופטית.
אך כדי לתקשר אופטית עם לוויין צריך קודם כל לעקוב בהצלחה אחר עצם זעיר ממרחק רב – בגובה מאות ק"מ – שטס במהירות אדירה – של 26,000 קמ"ש. לצורך הדגמת היכולת, בשבוע שעבר (3.1) שיגרה אוניברסיטת תל אביב את הננו-לוויין TAU-SAT3, שתחנת הקרקע תנסה לתקשר איתו אופטית.
"TAU-SAT3 הוא לוויין בגודל 30 ס"מ", אומר פרופ' סוכובסקי. "ברזולוציה של תחנת הקרקע, זה פיקסל אחד שנע מהר מאוד. על הפיקסל הזה הותקנו לדים. זה עוד לא לייזר, כלומר זו עוד לא תקשורת אופטית אמיתית, אלא זה אור לד שמתפזר – אבל זה יעזור לנו לכייל את תחנת הקרקע ויוכיח שאנחנו יכולים לפענח מידע אופטי מלוויין בגובה 550 ק"מ מאיתנו. בהמשך ננסה לשדר תקשורת לייזר לרחפן, שיחזיר את האות לתחנה בעזרת רטרו-רפלקטור, מערכת מראות שתותקן עליו. אחר כך נירה מידע באמצעות לייזר מהרחפן לתחנת הקרקע, ונפענח את האות האופטי במעבדה הסמוכה לטלסקופ. במקביל אנו בונים ובוחנים פרוטוקולים לתקשורת אופטית קוונטית בתוך המעבדה – כלומר בין מקלט ומשדר אשר מונחים בשני צדדים של השולחן האופטי, ובהמשך בין בניינים סמוכים –. כל אלה הינם צעדים מקדימים לקראת המטרה הסופית: תקשורת אופטית קוונטית חופשית, שתשנה את חוקי המשחק".
הצפנה חסינה לחלוטין
"הגביע הקדוש של הפרויקט הוא ביסוס תקשורת אופטית קוונטית בין תחנת הקרקע לחלל", מספר ראש מעבדת המחקר פמטו-נאנו פרופ' חיים סוכובסקי. "אבל כדי להגיע לגביע הקדוש עלינו לעבור שלושה שלבים מקדימים: לעקוב אופטית אחרי לוויין במסלול, לבסס תקשורת אופטית עם לוויין ולבסס תקשורת קוונטית כאן בתווך האוויר – בין שני בניינים כאן באוניברסיטה, בין תחנת הקרקע לבין רחפן ובין תחנת הקרקע לבין מל"ט. רק אחר כך אפשר לשלב את התכונות הקוונטיות של האור לצורך תקשורת קוונטית עם לוויינים בחלל".
תקשורת קוונטית משתמשת בפוטונים שזורים קוונטית כדי להעביר מפתח המאפשר קידוד מידע באופן מוצפן. לפי עקרונות מכניקת הקוונטים, כל ניסיון של צד שלישי לקלוט או להעתיק את המידע יהרוס את השזירה וכך ישבש את האות – ויחשוף את ניסיון הפריצה לשני הצדדים המתקשרים.
"רוב תעבורת המידע היום, למשל בין בנקים או בוואטסאפ, מוצפנת בפרוטוקול RSA", מסביר פרופ' עוז, ראש המרכז למדע וטכנולוגיה קוונטית. "מפתח ההצפנה ב-RSA אינו סודי, הוא פשוט בעיה מתמטית מורכבת מאוד שלמחשב רגיל יכול לקחת זמן רב לפתור אותה – ובזמן הזה מחליפים את המפתח. למחשב קוונטי יש פוטנציאל לפצח את הצפנת ה-RSA תוך רגעים ספורים, כך שיש חשש ממשי מפריצה למאגרי המידע בעתיד. בתקשורת קוונטית המפתח הוא מפתח חסין לחלוטין, הוא קיים רק בינינו, וצד שלישי לא יכול להשתמש בו או לשכפל אותו".
למעשה, תקשורת קוונטית כבר קיימת. כך, למשל, בנקים בשוויץ מעבירים ביניהם מידע בתקשורת קוונטית, אבל בעזרת סיבים אופטיים – שהם מוגבלים עקב דעיכת האות לטווח של כ-200 ק"מ. סין אמנם רישתה ברשת קוונטית מבוססת סיבים את בייג'ינג לשנגחאי, במרחק של מעל 1,000 ק"מ – אבל בעזרת תחנות ממסר מורכבות שמייצרות המון רעש סביבתי שפוגע באות ועלול להתפרש כניסיון האזנה לו.
"לא ניתן פרקטית לפרוס באופן מאובטח סיבים אופטיים בין כל הגורמים שרוצים להעביר ביניהם מידע מוצפן", אומר פרופ' עוז. "לכן האתגר הגדול הוא לבסס תקשורת קוונטית שיכולה להתממש באמצעות התווך החללי. ב-2016 הפכה סין למדינה הראשונה, ועד כה גם היחידה שדיווחה על הצלחה לעשות זאת, כאשר הדגימה תקשורת קוונטית בין תחנת קרקע ללוויין. אנחנו מכוונים לאותה מטרה".
לפרויקט הלוויין ולתחנת הקרקע שותפים רבים בסגל אוניברסיטת תל אביב, ובהם פרופ' עפר עמרני ששימש כחוקר ראשי בפרויקט, ראש מעבדת המחקר פמטו-נאנו פרופ' חיים סוכובסקי, פרופ' מאיר אריאל וכן הדוקטורנטים והסטודנטים שעסקו במחקר ובפיתוח מערכות הלוויין: ד"ר דולב בשי, עידן פינקלשטיין, מיכאל צוקראן, אופיר כהן, דוד גרינברג, ברק לוי, אלון הרמתי, און רנגינגד, אופיר יפה, שחר מורג, אורי דגן, אלעד שגיא ואורלי בלומברג.
