העולם שבו אנחנו חיים מתנהל על בסיס סנכרון זמן מדויק בין גורמים שונים. מערכות ממוחשבות של בנקים, מערכות תקשורת, מערכות ייצור והולכת חשמל, תחבורה וגם כלים ביטחוניים לאומיים בתחומים של תקשורת חסינה, מודיעין, מערכות שו"ב, ניווט, רדיו, מערכות מכ"ם משוכללות ועוד - כולם תלויים בסנכרון זמן מדויק בדיוקים של רמות שונות, החל מאלפיות שנייה עבור למיליוניות ואף מיליארדריות השנייה ביישומים מסוימים. במשק החשמל, למשל, נדרש דיוק גבוה בסנכרון הזמנים של תחנות הבקרה השונות, עם המעבר של העולם ל-SMART GRID בה יש הרבה מאוד יצרני חשמל שמתחברים לרשת הולכה אחת ורמת דיוק הזמנים הנדרשת גבוהה אף יותר ומגיעה לצורך של פחות ממיליונית השנייה.
בנושא בנקאות ופיננסים, אם לציין דוגמה אחרת, כאשר יש מסחר במניות או באגרות חוב, ידוע ששער המניה נקבע בהתאם להיצע וביקוש, ולכן בכל רגע יש שער אחר לערך המניה. יש לזכור שבעולם המודרני המסחר נעשה באמצעות מחשבים ואלגוריתמיקה (ALGO TRADE) מה שמאפשר מיליוני פעולות בשנייה, ובגלל הצורך לדעת את ערך המניה בצורה מדויקת בכל רגע נתון נוצר צורך לסנכרון זמן בדיוק גבוה מאוד של פחות ממיליונית השנייה.
"סנכרון זמנים הוא הבסיס גם לתקשורת הסלולרית שמחברת בין הטלפונים שלנו", מסביר בני לוי מחברת אקיוביט. "מאות אלפי מנויים של חברות הסלולר השונות מחולקים ביניהם לפי זמנים. הסנכרון בין התחנות השונות נדרש להיות ברמת מיליונית השנייה מה שמאפשר לנהל אלפי שיחות בו זמנית מבלי לפגוע באיכות השיחה. בעולם המודרני יותר ויותר מידע בקצבים יותר ויותר גבוהים עוברים בטלפונים שלנו ולכן בכל דור חדש נדרש סנכרון ברמת דיוק גבוה יותר".
פגיעות למתקפות סייבר
לוי אומר, כי בכל אותם תחומים חיוניים, שעושים שימוש בשרתי זמן, מופעלים מכשירים שמסוגלים לסנכרן בין הזמנים של מערכות מחשבים ותקשורת שונות. "סנכרון הזמן הוא דבר מסובך מאוד. השיטה הנפוצה לבצע את סנכרון הזמן עושה שימוש במקלטי GPS - או ליתר דיוק, מקלטי GNSS. מקלטים אלו קולטים ומחשבים את הזמן המדויק מלוויינים שמשייטים בשמיים בגבהים של מעל 20 אלף ק"מ. רבים נוטים לחשוב שמערכות לוויינים אלו מיועדות רק לניווט, אבל בכל אחד מלווייני ה-GNSS מותקן שעון אטומי מדויק, שמשודר לכדור הארץ.
"יחד עם מיקום הלוויין וקליטה של ארבעה לוויינים או יותר על-ידי מקלט GPS שיש ברשותנו מתאפשר לנו לדעת מהו המיקום שלנו בדיוק גבוה מאוד, אבל גם את השעה המדויקת בדיוק גבוה", מציין לוי ומוסיף כי "השעונים בלוויינים הללו מאופסים ומראים את אותה השעה. כאשר אנחנו קולטים בכדור הארץ את אותה השעה מארבעה לוויינים שונים לפחות - אנחנו יודעים לבצע חישוב טריאנגולציה של הזמנים ולחלץ מתוכם את השעה המדויקת עד לרמת מיליארדית השנייה, ואת מיקומנו המדויק עד לרמה של מטרים בודדים, ולעיתים, בגאודזיה ובחקלאות, אנו מקבלים דיוקים אף של סנטימטרים. הדיוק הגבוה נובע מהשעונים האטומים המדויקים שנמצאים בלוויינים ובשיטות חישוב מתוחכמות שנמצאות במקלטי ה-GPS".
אלא שמערכות סנכרון הזמנים הללו, שמבוססות על לוויינים שמשדרים אותות מהשמיים, אינן מוגנות להונאות סייבר והן פגיעות למעשי הונאה והתחזות. "מדובר כאן על תחום סייבר שונה מעולם ה-bits and bytes שאנו מכירים", מדגיש לוי. "ישנן שיטות סייבר פיזיקלי שמאפשרות לשגר אותות מתחזים ולשבש את סנכרון הזמנים. כאשר גורם זדוני משדר את האותות של לווייני ה-GNSS, הוא בעצם מתחזה ללוויינים ובכך הוא מטעה את מקלטי ה-GPS. טעויות אלו יכולות להיות קריטיות היות והן יכולות לשתק מערכות חיוניות כמו חשמל, מים, תקשורת, בנקאות, מערכות ביטחוניות ועוד.
"ההתחזות הזאת מאוד פשוטה לביצוע", הוא מוסיף. "האותות של לווייני ה-GNSS מפורסמים ברחבי העולם. אם גורם זדוני משדר את אותו האות בעוצמה חזקה יותר - המקלט יקבל את האות המזויף במקום האות המקורי ועל בסיס האות המזויף הוא יחשב את המיקום והזמן המזויפים. מעבר להונאה ישנה גם בעיה של חסימה של אותות הלוויינים על-ידי שידור חזק באותו תדר מגורם שמעוניין להפריע למקלטי ה-GPS. אפשר לחשוב על זה כמו שני אנשים שמדברים ביניהם וגורם שלישי צועק באוזנו של אחד מהם. הצעקות הללו לא מאפשרות לאדם אחד לשמוע את מה שהאדם השני אומר. צריך להבין שכל מי עושה שימוש בלווייני GNSS פגיע לסכנה הזאת. זהו איום סייבר ברובד הפיזיקלי עליו ניתן להגן באמצעות שעונים אטומים ואלגוריתמיות מיוחדות שאקיוביט מספקת ללקוחותיה".
30 שנה של שעונים אטומיים מדויקים
חברת אקיוביט עוסקת בפיתוח שעונים אטומיים מדויקים, שנותנים מענה לסכנת ההתחזות ושיבוש הזמנים במערכות חיוניות. השעונים שפיתחה החברה נמצאים בשימוש בשלל מערכות צבאיות ומערכות חיוניות אחרות, שבהן הגנה על שרתי הזמנים היא צורך אסטרטגי. בעזרת אותם שעונים אטומיים, המתבססים על היסוד הכימי רובידיום, מערכות שונות מסוגלות לאמת את נתוני הזמן בצורה עצמאית וכך למנוע את סכנת הזיופים, החסימות והשיבושים. המערכת שפיתחה אקיוביט עושה שימוש באלגוריתמיקה מתוחכמת במיוחד, שמאפשרת לבצע את החישובים הנחוצים לשעון האטומי.
"את החברה ייסדתי בסוף 1993 יחד עם שותפי ד"ר אבינועם שטרן", מספר בני לוי. "אני במקצועי מהנדס אלקטרוניקה ואבינועם הוא דוקטור לפיזיקה. רצינו לבנות יחד שעונים אטומיים והתחלנו לפתח מכשירים ברמה הפשוטה ביותר, בידיים. אני חובב אלקטרוניקה מגיל צעיר ואת הפיתוחים הראשונים של אקיוביט יצרנו שנינו יחד במעבדה".
בהמשך זכתה החברה לתמיכה מטעם רשות החדשנות ומשרד הביטחון מתוך הכרה בחשיבות האסטרטגית של שעונים אטומיים בעולמות הביטחון הלאומי. "פיתחנו את השעון האטומי הראשון שלנו באמצע שנות ה-90' של המאה הקודמת. השעון היה בזמנו הקטן ביותר בעולם", משחזר לוי. "לאורך השנים התפתחנו ושקדנו על פיתוח מכשירים רבים נוספים. צריך להבין שבשנים הראשונות של החברה, עולם השעונים האטומיים התמודד עם אתגרים רבים. מעט מאוד אנשים הבינו את הצורך במכשירים הללו. כשאמרנו לאנשים שהם פגיעים לזיופים ולשיבושים, אף אחד לא לקח את הבעיה ברצינות.
"בעשור האחרון, חולשות ה-GPS והמודעות לסייבר משנות את המציאות", הוא מדגיש. "כבר לא צריך להסביר לאנשים למה חסימה של GPS או GNSS היא סכנה משמעותית. אנשים מבינים את הצורך בשימוש בשעונים אטומיים לאימות עצמאי של נתוני הזמן. קהל הלקוחות שלנו כולל בעיקר צבאות ותעשיות ביטחוניות ולקוחות אזרחיים בעלי קשר לעולם ביטחון הפנים והגנת המולדת, כמו חברות חשמל או תקשורת, צבאות ותעשיות ביטחוניות. אקיוביט מעסיקה כיום כ-60 עובדים, רובם ככולם פיזיקאים ומהנדסים".
התנודות העדינות של הפיזיקה הקוונטית
כמו כל שעון אחר בעולם, שעון אטומי הוא מכונה שמודדת את הזמן. אם בשעוני המטולטלת הישנים מדידת הזמן מתבצעת בעזרת תנודה של מטולטלת במחזוריות קבועה, בשעונים אטומיים המדידה מתבססת על תנודות של האטום עצמו.
"אף שעון לא נהנה מדיוק מושלם", מבהיר לוי. "שעוני הגביש שרבים מאיתנו עונדים על היד עושים שימוש בתנודות של גביש קוורץ ומאבדים שנייה אחת בכל מיליון שניות. כלומר, בערך פעם בעשרה ימים. זו רמת הדיוק של הרבה מהשעונים שאנחנו מכירים מחיי היום-יום. אופן הפעולה של שעון אטומי מתבסס על פיזיקה קוונטית. מערכות השעון האטומי מבצעות מניפולציות לאטום ומודדות את גלי פליטת הפוטונים. המחזוריות של הגלים הללו היא קבועה וכך אנחנו מסוגלים להגיע לרמת דיוק גבוהה הרבה יותר. בכל יום, שעון אטומי מאבד פחות ממיליונית השנייה. אגב, ישנם שעונים אטומים משוכללים יותר, שמאבדים מיליארדית שנייה בכל יום, או לחלופין מאבדים שנייה באלפי שנים".
לדברי לוי, שעונים אטומיים אלו מאפשרים להתגבר על בעיית הסייבר בסנכרון הזמנים. "כאשר אנחנו מוסיפים למערכות ביטחוניות וחיוניות שעון אטומי, שמבצע מדידה עצמאית של הזמן, אנחנו יכולים לעשות שימוש בחישוב מורכב כדי להשוות בין אותה מדידה עצמאית לבין נתוני ה-GNSS. כך אנחנו מוסיפים פתרון הגנתי ברמה הפיזיקלית, שנותן מענה מלא לאיומי הסייבר הפיזיקליים הללו. כל ניסיון לזייף את האותות יתגלה מיד בעקבות אי התאמה בינו לבין נתוני השעון האטומי.
"ההגנה הזאת נחוצה למגוון רחב של מערכות", הוא מפרט. "בעולם תקשורת הרדיו הצבאי למשל, נהוג לבצע דילוג בין תדרים כדי להתגבר על שיבושים מצד האויב. הדילוג הזה חייב להתבצע בצורה מסונכרנת ביותר ולכן יש צורך בסנכרון זמנים מרבי. אקיוביט מוכרת שעונים אטומים ושרתי זמנים מדויקים וחסינים, שמאפשרים להגן על מערכות שונות בסקטורים רבים".
מסע של 14 שנים בחלל
לאחרונה אקיוביט נבחרה לבנות שעון יציב מאוד עבור סוכנות החלל האירופאית. הפיתוח נעשה במימון סוכנות החלל הישראלית, במטרה לסייע לגשושית שתשוגר לירחי החלל העמוק באזור כוכב צדק. מסביב לכוכב הלכת צדק נמצאים מספר ירחים והמוכרים בהם הם אירופה, גנאמיד, קליסטו ואיו שעל פניהם עשויים להימצא בהם מים", מסביר לוי. "מכיוון שמים הם תנאי לקיום חיים, מדענים ממכון וייצמן, פרופ' יוחאי כספי וד"ר אלי גלנטי, ומדען מפורסם מאוד מאוניברסיטת רומא, פרופ' לוצ'יאנו, רוצים לוודא את קיום המים ולמדוד אותם. לצורך זה, סוכנות החלל האירופאית מתכוונת לשגר חללית שתטוס מרחק של 900 מיליון קילומטרים, במשך שבע וחצי שנים!
חללית זו תעשה שימוש במקלעת כבידתית: תזמון של מעבר ליד כוכבי לכת שונים ושימוש בכוח המשיכה שלהם כדי להאיץ את מהירות החללית. במשימה מאתגרת זו, יש חשיבות גדולה מאין כמוה לחישוב הזמנים המדויק. השעון המדויק של אקיוביט יסייע לחללית למדוד את קיום המים והקרח על הירחים.
הרעיון המדעי שעומד מאחורי המדידה הזו הוא כדלקמן: המדענים מעריכים שיש באטמוספירת הירחים מים וקרח, ולכן החללית תשדר אלינו לכדור הארץ גל אלקטרו-מגנטי, שמקורו בשעון המדויק של אקיוביט, והוא יימדד כאן באמצעות שעונים מדויקים אחרים. כאשר החללית תתקרב לאטמוספירת הירח התשדורת הזו תעבור דרך המים ותאט את המהירות, מה שישנה את הפאזה של הגל. הדבר דומה מאוד לכפית בכוס מים שיוצר אצלנו אשליה שהכפית עקומה. במציאות הכפית איננה עקומה, אבל בגלל שמהירות האור שונה באוויר ממהירות האור בתוך המים ההאטה הזו יוצרת במוח שלנו אשליה שזה נובע מכך שהכפית עקומה. המדענים ממכון וייצמן ומאוניברסיטת רומא ימדדו את השינויים הללו, יעשו חישובים מסובכים מאוד ויסיקו מתוכן על קיום המים ומסקנות נוספות בהיקשרי גרביטציה.
"הפרויקט הזה של סוכנות החלל האירופאית (European Space Agency - ESA) הוא הגדול מסוגו באירופה ונאמד בסכום של מיליארד אירו", מדגיש לוי. "אנחנו נבחרנו לפתח ולייצר את השעון אחרי שהצוות הישראלי והאירופאי חיפשו חברה שיודעת לפתח ולייצר שעון מאוד יציב למשימות חלל. להפתעת אחד החוקרים, פרופ' יוחאי כספי ממכון ויצמן, ששותף למחקר, הוא מצא שיש חברה ירושלמית בשם אקיוביט שעוסקת בשעונים מדויקים, וכך, בשילוב עם סוכנות החלל הישראלית, התחיל הפרויקט. השעון המדויק הזה שנקרא USO (Ultra Stable Oscillator)שפיתחנו, ייצרנו וסיפקנו לסוכנות החלל האירופאית נדרש לעמוד בתנאי קרינה מאתגרים מאוד בחלל ולעבוד ברציפות לפחות 14 שנה, ללא שום תקלה, שכן אין מי שיסע לכוכב צדק לתקן אותו... השעון יחווה רעידות והלמים קיצוניים מאוד בעת השיגור כמו גם שינויי טמפרטורה קיצוניים שקיימים בחלל.
"בקרוב אני אמור לטוס ביחד עם מנהל הפרויקט שלנו באקיוביט, רוני מן, למרכז של סוכנות החלל האירופאית בצרפת, שבו החללית נמצאת כיום כדי לסייע בתיאומים אחרונים לפני העברת החללית לכן השיגור בקו המשווה", הוא מסכם. "החללית עצמה תשוגר מגינאה המשוונית באפריל 2023 כאשר עליה השעון שלנו, למסע עד לירחי צדק שיימשך שבע וחצי שנים. המשימה תימשך כארבע שנים שבסיומה המדענים יפרסמו את מסקנותיהם על קיום מים בירחי צדק והתנאים לקיום חיים".
מוסיפים מימד פיזיקלי להגנת הסייבר
דוגמה נוספת לשימושים בשעונים אטומיים נוגעת להגנה מפני איומי סייבר זרים. "לפני שנה פורסם שאיראן ניסתה להרעיל את מקורות המים של ישראל", מזכיר לוי. "חברת מקורות הרי עושה שימוש במיכלי מים ענקיים שאליהם מוזרם כלור בכמות קטנה מאוד. השתלטות מרחוק על המיכלים הללו תאפשר להגדיל את הזרמת הכלור למי השתייה וכך להרעיל את המים של אזרחי ישראל. שימוש במערכות שעונים אטומיים מאפשר להגן הרמטית מפני האיום הזה. כך אנו יכולים להוסיף מימד פיזיקלי להגנת הסייבר ולמנוע אירועי חבלה מהסוג הזה. צריך להבין שעולם הסייבר הפיזיקלי מתקיים בנפרד מעולם הסייבר השגרתי, אך בעתיד נראה יותר ויותר איומי סייבר מהסוג החדש הזה להם נדרשים פתרונות הגנת סייבר לא שגרתיים שמגיעים מהמימד הפיזיקלי".
בשיתוף אקיוביט
