Базовые понятия и принципы работы квантовой связи.
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.
Фото: Production Perig/Shutterstock/FOTODOM
возможность построения защищенных систем связи, в которых неизменность и достоверность передаваемой информации гарантируются физическими принципами, а не математическими алгоритмами, как в существующих подходах.
это создание нового типа телекоммуникационного оборудования, предназначенного для генерации, передачи, приема и измерения квантовых состояний физических систем (в частности, одиночных фотонов), а также для их последующей обработки и декодирования в рамках защищенных протоколов связи.
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.
Фото: Production Perig/Shutterstock/FOTODOM
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 – это 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 квантовозащищенной 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.
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.
В 2019 году квантовые коммуникации были выделены в числе приоритетных направлений национального проекта «Цифровая экономика». В том же году между Правительством Российской Федерации и ОАО «РЖД» было подписано соглашение о
намерениях, в котором ОАО «РЖД» назначено ответственным за координацию работ по
развитию квантовых коммуникаций.
В 2020 году ОАО «РЖД» совместно с экспертным сообществом подготовило дорожную карту развития квантовых коммуникаций, актуализированную в 2022 году и утвержденную Правительством РФ. Этот документ заложил основу по развитию оптоволоконных, атмосферных и спутниковых систем квантовой связи, строительству магистральных квантовых сетей и абонентских устройств, а также по поддержке научно-исследовательских проектов, созданию нормативной базы и формированию кадрового потенциала отрасли. В результате были разработаны и внедрены первые технические решения для магистральной инфраструктуры, а концу 2024 года общая протяженность магистральной квантовой сети составила более 7000 км. Она связывает крупные города страны: Санкт-Петербург, Москву, Нижний Новгород, Казань, Воронеж, Ростов-на-Дону, Волгоград, Сочи, Самару, Саратов, Челябинск и Екатеринбург. В режиме 24/7 работает Центр управления и мониторинга квантовой сети ОАО «РЖД».
На текущем этапе развитие квантовых коммуникаций в России сосредоточено на развертывании технологической инфраструктуры отрасли. Продолжается строительство магистральной квантовой сети, создающей основу для масштабирования и практического применения квантовозащищенных сетей связи. Реализуются пилотные проекты, отрабатываются сценарии применения сетей квантового распределения ключей для защиты передачи данных в интересах государства и бизнеса.
Ведутся научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по созданию и развитию линейки технических средств, необходимых для развития квантовых коммуникаций.
Одновременно развивается экосистема отрасли квантовых коммуникаций. В нее входят разработчики и производители квантового оборудования, телекоммуникационные и инфраструктурные компании, системные интеграторы, научные и образовательные организации, а также государственные структуры, формирующие нормативные и организационные условия развития отрасли. Экосистема играет важную роль в создании и развитии кадрового потенциала отрасли, в работах по стандартизации и формированию единых требований к технологиям и решениям.
Один из ключевых векторов развития квантовых коммуникаций в России – дальнейшее расширение инфраструктуры квантовых сетей. Строительство магистральных сегментов квантовой сети на востоке позволит повысить географическую связность страны и создать основу для масштабирования квантовозащищенных сетей связи на всей территории страны.
Второе направление – развитие абонентских сетей и расширение линейки абонентских решений для подключения коммерческих и государственных пользователей к квантовозащищенным сетям передачи данных. Ключевыми задачами для реализации этого направления являются снижение стоимости абонентских решений, упрощение архитектуры клиентской части и повышение удобства интеграции с существующими сетями и средствами защиты информации.
Третье направление – развитие атмосферных и космических сегментов квантовых коммуникаций. Использование атмосферных и спутниковых каналов позволит создавать сети КРК на больших расстояниях и в труднодоступных районах, а также повысить устойчивость и географическую независимость квантовой инфраструктуры.
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.
Китай является одним из мировых лидеров в области развития квантовых коммуникаций. Стране удалось одной из первых перейти к коммерческой эксплуатации квантовых сетей. В КНР сформирована масштабная национальная инфраструктура, включающая магистральные (около 10 тыс. км) и городские сегменты квантовой сети, ориентированные на практическое использование в государственных и корпоративных системах связи.
Ключевым элементом наземной инфраструктуры является магистральная квантовая сеть, соединяющая Пекин с крупнейшими городами страны и дополненная региональными сегментами. В рамках ее развития количество подключенных организаций последовательно растет: с 150 организаций в 2017 году до 800 организаций к 2025 году. При этом количество абонентов, использующих квантовую сеть для защищенной связи, выросло до 3 тыс. Основными пользователями квантовой сети являются банки и государственные учреждения, для которых защита передаваемой информации имеет критическое значение. China Telecom осуществляет эксплуатацию и предоставление услуг на базе квантовых сетей и квантовозащищенных сетей связи, включая подключение пользователей и интеграцию технологии квантового распределения ключей с существующей телекоммуникационной инфраструктурой. China Telecom выступает системным оператором, обеспечивающим переход квантовых коммуникаций от пилотных проектов к регулярному промышленному использованию. Активно развивается рынок коммерческих услуг и оборудования в области квантовых коммуникаций.
Развитие наземной инфраструктуры дополняется работами по созданию космического сегмента квантовых коммуникаций. Эксперименты с использованием низкоорбитальных квантовых спутников подтвердили возможность интеграции наземных квантовых сетей со спутниковыми каналами связи и рассматриваются как задел для дальнейшего масштабирования инфраструктуры и повышения географической связности квантовых сетей. Китай продолжает масштабные исследования в области квантовых коммуникаций, которые проводятся сразу в нескольких научных кластерах, специализирующихся на развитии квантовых технологий.
В Соединенных Штатах делается ставка на развитие перспективных технологий квантовых коммуникаций, таких как передача квантовой информации с помощью запутывания.
Такие технологии нужны для создания распределенных квантовых вычислительных систем и квантового интернета. Ведется создание полигонов для отработки этих технологий. Так, в Нью-Йорке запущен полигон GothamQ, развернутый с использованием действующей городской оптоволоконной инфраструктуры и предназначенный для проверки устойчивости квантовых коммуникаций в реальных условиях эксплуатации. В штате Теннесси компания IONQ, разрабатывающая квантовые компьютеры, после приобретения EPB Quantum Network создала центр для развития инноваций в области квантовых коммуникаций и квантовых вычислений.
Для обеспечения безопасности в условиях риска атаки с использованием квантового компьютера (квантового риска) США развивают постквантовую криптографию.
Ключевую роль играет Национальный институт стандартов и технологий США (NIST), который в 2016 году запустил международный конкурс по выбору алгоритмов постквантовой криптографии. В 2024 году были утверждены первые три стандарта, предназначенные для обмена ключами и для цифровых подписей, что стало важным этапом подготовки цифровой инфраструктуры к будущим угрозам со стороны квантовых вычислений.
В Евросоюзе ключевым элементом развития квантовых коммуникаций является инициатива European Quantum Communication Infrastructure (EuroQCI), реализуемая под эгидой Европейской комиссии и при участии Европейского космического агентства (ESA). Все 27 государств – членов ЕС присоединились к проекту.
К 2024 году в рамках EuroQCI была завершена национальная фаза: в странах ЕС развернуты национальные сети квантового распределения ключей и созданы тестовые зоны для отработки протоколов и сценариев применения. В 2025 году проект перешел к межнациональной фазе, предполагающей объединение национальных сетей КРК в единую трансграничную инфраструктуру. В 2026 году возможно подключение к квантовой инфраструктуре первых коммерческих абонентов, а полноценная коммерческая эксплуатация планируется к 2030 году.
EuroQCI включает как наземные оптоволоконные линии связи, соединяющие стратегические объекты на национальном и межгосударственном уровнях, так и космический сегмент на основе спутника Eagle-1 агентства ESA. Запуск спутника, запланированный на конец 2026 года, обеспечит распределение квантовых ключей для удаленных и островных территорий.
В Южной Корее развернута национальная магистральная инфраструктура квантовых коммуникаций протяженностью более 800 км, объединяющая почти полсотни правительственных организаций. Сеть эксплуатируется телекоммуникационной компанией SK Broadband и используется для защиты передачи данных между восемью центрами обработки данных для государственных информационных систем. Квантовое распределение ключей реализуется оборудованием ID Quantique серии XG. Для управления и распределения ключевой информации используется платформа Clarion KX компании ID Quantique. Используются ключи для симметричных криптосистем, полученных с помощью квантового распределения ключей, и ключи для постквантовых асимметричных алгоритмов, сгенерированные с использованием квантовых генераторов случайных чисел. Для передачи ключей в шифраторы (СКЗИ) используются стандарты ETSI.
В перспективе планируется расширение сети на новые регионы, обеспечение совместимости с оборудованием различных производителей и внедрение сервисной модели (QaaS) предоставления услуг как для корпоративных клиентов, так и для органов государственного и муниципального управления.
В Сингапуре с 2022 года реализуется национальный проект по развитию квантовозащищенной сетевой инфраструктуры. Запущена National Quantum-Safe Network (NQSN) – национальная квантовозащищенная сеть связи, предназначенная для тестирования и внедрения технологий защищенной передачи данных с использованием квантового распределения ключей и постквантового шифрования в корпоративных и государственных информационных системах.
В 2023 году было объявлено о развитии проекта до коммерческого уровня, а в 2024 году национальная телекоммуникационная компания SingTel запустила National Quantum-Safe Network Plus (NQSN+) коммерческую квантовозащищенную сеть связи. Общая протяженность сети – свыше 50 км. В рамках сети используются технологии квантового распределения ключей, квантовые генераторы случайных чисел и постквантовая криптография, а также централизованные механизмы управления ключами и мониторинга. Решения NQSN+ интегрируются с корпоративными WAN-сетями. Первым тестовое использование сети NQSN+ начал банк OCBC, один из крупнейших банков региона.
.png)
ГЕНЕРАЛЬНЫЙ ПАРТНЕР – ОАО «РЖД»
