Поиск
Авторизация
Базовые понятия и принципы работы
Развитие цифровых технологий связано с глобальным увеличением объема данных и проникновением цифровой среды буквально во все сферы человеческой жизни. Облачные решения позволяют хранить и передавать огромные массивы информации, связанной с персональными данными, коммерческой и финансовой тайнами, государственным управлением и управлением инфраструктурой – энергетической, транспортной и другими. Чем больше сведений переносится в цифровую среду и чем шире внедряются технологии удаленного управления, например, электростанциями, больницами, автомобилями или поездами, тем острее необходимость их защиты от киберпреступников.
Потребность в создании безопасной цифровой среды – это ключевая тенденция современности и один из важнейших вопросов развития информационных систем в целом. С ростом числа кибератак и геополитической напряженности безопасность передачи данных становится первоочередной задачей. Без новых сквозных технологий, гарантирующих высочайший уровень защиты передаваемых данных, невозможно развитие цифрового общества. Чтобы обеспечить надежную защиту информации, сегодня особое внимание уделяется квантовым коммуникациям. Эта технология, использующая законы квантовой физики и построенный на их основе метод квантового распределения ключей для создания защищенных каналов связи, становится новым стандартом безопасности данных в ближайшие годы.
Ключевая особенность квантовых коммуникаций – возможность построения защищенных систем связи, в которых неизменность и достоверность передаваемой информации гарантируются физическими принципами, а не математическими алгоритмами, как в существующих подходах.
В традиционных сетях связи для передачи информации используется высокоинтенсивный оптический сигнал, излучающий за доли секунды триллионы фотонов. Злоумышленник всегда может подключиться к такому сигналу и отвести небольшую его часть. Даже если информация зашифрована, злоумышленники могут ее анализировать и попытаться прочесть, причем с развитием вычислительных технологий и ростом мощности процессоров их возможности увеличиваются.
В отличие от традиционных сетей связи в квантовых сетях передаются мельчайшие порции оптического излучения, фундаментально малые, меньше которых физика не допускает формировать и передавать – речь буквально о единичных фотонах. При этом каждый фотонный импульс кодируется отдельно и независимо от остальных.
За счет этих свойств незаметно отвести такой сигнал из линии связи невозможно – на этой физике и строится новая система в области информационной безопасности. У киберпреступников отсутствует возможность скомпрометировать такой канал и осуществить скрытое подключение к линии связи, о любом таком вмешательстве сразу станет известно владельцу системы.
Фактически развитие квантовых коммуникаций – это создание нового типа телекоммуникационного оборудования, которое умеет формировать такие сигналы, принимать их и декодировать.
В сентябре 2023 года был сделан важный шаг в области стандартизации технологий квантовых коммуникаций в России – вышли предварительные национальные стандарты (ПНСТ). Эти документы вводят отраслевые термины и определения и описывают общие принципы работы квантовых коммуникаций (ПНСТ 829-2023 «Квантовые коммуникации: общие положения»; ПНСТ 830-2023 «Квантовые коммуникации: термины и определения»). Так, в стандартах закреплено, что квантовые коммуникации – передача информации посредством прямой передачи квантовых состояний или посредством квантовой запутанности. То есть методы передачи данных с помощью физических систем, реализованных на основе законов квантовой физики.
Для передачи квантовой информации необходимы каналы связи – квантовый канал, канал синхронизации и служебный канал. Квантовый канал предназначен для передачи квантовых сигналов, описываемых квантовыми состояниями. Под квантовым состоянием понимается кубит – базовая единица квантовой информации. Он представляет собой квантовую систему, которая может находиться в одном из двух состояний или в их суперпозиции (одновременно и в одном, и в другом состоянии).
Передача квантово защищенной информации осуществляется с помощью квантового оборудования, чаще всего квантово-оптического, использующего свойства света для обработки, хранения и передачи данных. При передаче две стороны создают общий квантовый ключ, который базируется на свойствах квантовых частиц изменять состояние при попытке их измерения или копирования – так легко можно обнаружить нарушителя. Современные технологии позволяют создать систему выработки и распределения квантовых ключей, которые обеспечивают безопасность передачи информации, так как без их верификации получить доступ к данным невозможно. Эта процедура известна как квантовое распределение ключей.
Фото: Shutterstock/FOTODOM
Оборудование для квантового распределения ключей включает квантовый передатчик (отправитель), генерирующий и передающий квантовые сигналы, и квантовый приемник (получатель), который их принимает и обрабатывает. Для работы этих компонентов необходимы служебный классический канал, канал синхронизации для передачи управляющих сигналов и квантовый канал. Такая комплексная структура оборудования и каналов связи называется системой квантовых коммуникаций.
В целом, системы квантовых коммуникаций являются новым поколением систем в области безопасной связи. За последние несколько лет технологии квантовых коммуникаций в своем развитии перешагнули рубеж от фундаментальных исследований к прикладным разработкам и практическому внедрению. Высокий интерес к данному направлению объясняется стратегической важностью квантовых коммуникаций для обеспечения цифрового суверенитета.
Россия является одним из мировых лидеров в области квантовых коммуникаций. В стране активно развиваются магистральные квантовые сети, реализуются проекты по разработке квантового оборудования и компонентной базы, ведется работа по их сертификации.
Сегодня квантовая сеть в России соединяет Санкт-Петербург, Москву, Нижний Новгород, Казань, Воронеж, Ростов-на-Дону, Волгоград. А к концу 2024 года к ним присоединятся Сочи, Самара, Саратов, Челябинск, Екатеринбург, и общая протяженность квантовой сети составит 7000 км. В режиме 24/7 работает Центр управления и мониторинга квантовой сети ОАО «РЖД».
В настоящее время магистральные квантовые сети развертываются в США, Европе, Великобритании, Японии, Китае и России. Китай, Канада, ЕС и Республика Корея ведут работы по интеграции наземной квантовой сети с космическим сегментом, чтобы создать единое защищенное информационное пространство.
Эксперты уверены, что через 10–15 лет квантовая связь станет таким же обязательным элементом цифровой инфраструктуры, как защита от вирусов или шифрование данных в мессенджерах. В экспертном сообществе обсуждают нормативные акты, которые будут обязывать организации защищать определенные виды данных с помощью квантовостойких методов.
Сейчас в Китае более сотни организаций, преимущественно банки и государственные учреждения, подключены к квантовой магистральной сети. В стране построена защищенная квантовая сеть протяженностью несколько тысяч километров, соединяющая Пекин и Шанхай. Также реализуется проект построения национальной квантовой сети, и к 2023 году ее протяженность составляла более 10 000 км, связывая сотни узлов. Развивается космический сегмент, в 2017 году осуществлен эксперимент с использованием низкоорбитального квантового спутника «Мо-цзы» для организации первого сеанса квантовозащищенной видеосвязи между Пекином и Веной с использованием спутника в качестве доверенного узла. Продемонстрирована интеграция китайской магистральной квантовой сети со спутниковым сегментом связи. В 2022 году был запущен более совершенный спутник квантовой связи, а в 2025 планируется уже запуск 2-3 спутников для организации распределения квантовых ключей через космос.
В США создана квантовая сеть QuantumXChange (Вашингтон – Бостон) протяженностью около 800 км. В 2023 году запущена коммерческая квантовая сеть EPB Quantum Network (Чаттануга) и пилотная квантовая сеть на основе передачи запутывания GothamQ (Нью-Йорк). В 2026 компания Boeing планирует запуск спутника для пилотирования системы передачи квантовой информации с помощью запутывания через космос.
В Европейском союзе создается опорная квантовая коммуникационная инфраструктура в масштабах всего ЕС. Был реализован проект OpenQKD в рамках исследовательской программы EU Horizon 2020. Сейчас 27 стран – членов ЕС подписали декларацию о Европейской инфраструктуре квантовых коммуникаций (EuroQCI). В 2024 завершена национальная фаза EuroQCI, в рамках который построены сети КРК в странах ЕС и начата межнациональная фаза по объединению сетей КРК в единую защищенную квантовую коммуникационную инфраструктуру. В 2025 году планируется также запуск спутника консорциума на базе Европейского космического агентства, который позволит распределять квантовые ключи в островные государства – на Мальту и в Ирландию.
В Южной Корее в 2022 году к квантовой магистральной сети оператора SK Telecom подключено около 50 правительственных организаций. В 2020 году компания Samsung совместно с ведущим южнокорейским оператором SK Telecom выпустила в продажу мобильный телефон с квантовым генератором случайных чисел. А в августе 2024 года на рынке был представлен Galaxy Quantum 5 — смартфон Samsung с квантовым шифрованием. Это улучшенная версия Galaxy A55 с криптографическим чипом S2Q000 от компании ID Quantique (IDQ). Этот чип интегрирован в систему Samsung Knox и создает дополнительную квантовую защиту для таких функций, как онлайн-банкинг.
В 2024 году телеком-оператор Singtel из Сингапура объявил о запуске и начале пилотирования на предприятиях первой в Юго-Восточной Азии национальной квантово-безопасной сети Plus (NQSN+).
ГЕНЕРАЛЬНЫЙ ПАРТНЕР – ОАО «РЖД»
