Система продемонструвала стабільну швидкість генерації ключів 320 кілобіт за секунду та працювала з квантовим коефіцієнтом помилок бітів 3,8 відсотка на відстані 33 милі. Дослідники з Університету Пердью та Національної лабораторії Оук-Рідж (ORNL) у США успішно продемонстрували безпечний квантовий зв’язок у діючому ядерному реакторі. Дослідники використали квантовий розподіл ключів (QKD) від Toshiba на реакторі PUR-1 університету Purdue, щоб досягти цього першого у світі впровадження квантового шифрування на ядерному об’єкті.
Оскільки світовий енергетичний сектор шукає чистіші способи живлення економіки, технологія ядерного поділу готова до значного відродження. Замість масштабних проектів, енергія на основі поділу, що виробляється за допомогою малих модульних реакторів (ММР) та мікрореакторів, ймовірно, забезпечить наше майбутнє без викидів вуглецю.
Хоча ризики радіоактивних відходів у цих реакторах нового покоління нижчі, проблеми безпеки залишаються тими ж. Кібератака на ядерний реактор може спричинити хаос і паніку серед громадськості. Сучасні засоби шифрування є потужними, але з розвитком квантових обчислень ці засоби захисту можуть незабаром застаріти. Саме тут могло б допомогти квантове шифрування, але вченим потрібно було знати, чи зможе ця технологія працювати в чутливих середовищах ядерного реактора, що зробило PUR-1 логічним вибором.
Єдиний цифровий ядерний реактор у США
Технології ядерної енергетики використовуються в США з 1960-х років. Однак галузь не впроваджує цифрову трансформацію для своєї діяльності. Навіть попри те, що інші країни перейшли на цифрові системи керування своїми реакторами, PUR-1 є першим і єдиним повністю цифровим ядерним реактором у США, який використовує екрани, клавіатуру та кабелі Ethernet замість ручок та аналогових систем для керування роботою.
Система приладів та керування повністю цифрова, що робить її ідеальною платформою для тестування технологій квантового шифрування. «PUR-1 має унікальні можливості для вирішення таких проблем», – заявив Філ Еванс, старший співробітник відділу досліджень та розробок групи квантових комунікацій та мереж Національної лабораторії Оук-Рідж.
«Оснащений найсучаснішими цифровими системами контролю та управління, а також цифровим двійником, PUR-1 є універсальною дослідницькою та освітньою платформою для вивчення передових технологій в експлуатації реакторів та кібербезпеці».
Дослідники об’єдналися з Toshiba для тестування системи QKD на реакторі. На відміну від традиційних систем шифрування, QKD використовує квантову механіку та вимірювання квантово-механічної системи для порушення квантових станів, що дозволяє легко дізнатися, чи хтось «підслухав» інформацію та скільки її було втрачено.
Тестування системи розподілу квантових ключів у ядерному реакторі
Дослідники протестували систему квантового шифрування, підключивши два вузли до реактора. Вони обмінялися захищеними квантовими ключами через одномодовий волоконно-оптичний кабель. Для моделювання сценаріїв розгортання дослідники впровадили лінії затримки та атенюатори для створення відстані та перешкод між вузлами, а також додатково перевірили їхню роботу.
Система продемонструвала стабільну швидкість генерації ключів 320 кілобіт за секунду та працювала з квантовим коефіцієнтом помилок бітів 3,8 відсотка на відстані 54 км. Дослідники додали, що при обмеженні 68 основних сигналів шифрування за допомогою одноразового блокнота (OTP) працювало на відстані 135 км, що достатньо відображає поведінку реактора.
Затримка системи для шифрування/дешифрування залишалася менше ніж півсекунди, що значно нижче робочих порогів, тоді як дослідники також знайшли способи буферизації резервних ключів на випадок збою з’єднання QKD.
«Реактори, особливо мікрореактори, розгорнуті у віддалених регіонах, залежатимуть від постійного обміну даними для моніторингу, контролю та забезпечення безпеки», – сказав у прес-релізі доктор філософії, доцент Школи ядерної інженерії Університету Пердью Стіліанос Хацідакіс. «Порушення кібербезпеки в таких системах можуть поставити під загрозу конфіденційну інформацію або навіть цілісність операцій, створюючи ризики для громадської безпеки та енергетичної безпеки».
Хоча робота є багатообіцяючою, дослідники не оцінювали систему в середовищах з високим рівнем радіації, чого вони планують досягти в майбутній роботі. Результати дослідження були опубліковані в pre-print paper.