О развитии высокотехнологичного направления «Квантовые коммуникации»

Статья подготовлена редакцией журнала «Интернет изнутри» по материалам ОАО «РЖД»

Современный этап развития информационных технологий характеризуется стремлением к повышению уровня безопасности передаваемых данных. Рост числа кибератак и увеличение геополитического противостояния делают вопросы безопасности информационной инфраструктуры еще более актуальными. В связи с этим возрастает спрос на разработку и внедрение новых, более надежных технологий защиты данных, в том числе в сферах, где активно используются технологии Интернета вещей. В этом контексте особое внимание уделяется квантовым коммуникациям, представляющим собой передовую область знаний и технологий для создания защищенных каналов связи с использованием квантового распределения ключей (КРК) [1].

Развитие высокотехнологичного направления «Квантовые коммуникации» имеет критически важное значение для создания комплексной защищенной инфраструктуры цифровой экономики, в том числе для системы государственного управления, особенно с учетом возрастающих угроз в области информационной безопасности.
В России создан значительный научно-технологический задел в области технологий и оборудования квантовых коммуникаций. Задача ОАО «РЖД» как компании-лидера в деле организации экосистемы квантовых коммуникаций – трансформировать этот задел в крупные инфраструктурные проекты, обеспечить дальнейшую разработку технологий и решений, содействовать развитию экосистемы и рынка квантовых коммуникаций, что выведет Российскую Федерацию на лидирующие позиции по данному направлению в мире.
С целью развития высокотехнологичного направления «Квантовые коммуникации» между ОАО «РЖД» и правительством Российской Федерации заключены соответствующие соглашения от 10 июля 2019 г. № 88 [2] и от 29 декабря 2022 г. № 186 (рис. 1). Основным механизмом выполнения соглашения является реализация «дорожной карты» развития высокотехнологичного направления «Квантовые коммуникации» на период до 2030 года.

Рис. 1. Заключение соглашения о намерениях между Правительством Российской Федерации и ОАО «РЖД» 29 декабря 2022 г.

В настоящее время ОАО «РЖД» продолжает масштабные работы по развитию квантовых коммуникаций, решая три основные задачи: по развитию технологий, инфраструктуры и экосистемы.
Прогресс в технологиях квантовых коммуникаций способствует развитию всего высокотехнологичного направления в целом. Сегодня большинство исследовательских и коммерческих разработок направлено на разработку квантовых сетей и их составных частей, особое внимание уделяется разработке уникальной компонентной базы и созданию аппаратуры квантового распределения ключей. При этом в последние годы наблюдается тенденция развития и создания именно пользовательских устройств и готовых решений, пригодных к использованию конечными абонентами. Это происходит по причине повышения интереса конечных потребителей к эксплуатации решений на квантовых коммуникациях.
Квантовые коммуникационные сети могут быть реализованы на основе волоконно-оптических, атмосферных и космических линий связи. Все разновидности квантовых сетей взаимосвязаны, но используются для разных целевых аудиторий потребителей и применяют разнообразные технические решения.
Оптоволоконные квантовые сети уже сегодня находятся на стадии развития, готовой к внедрению и эксплуатации после прохождения соответствующих процедур сертификации и аттестации. Технологии атмосферных оптических квантовых каналов и космической квантовой связи хотя и находятся на более ранних стадиях развития, также демонстрируют значительный потенциал.
Разработаны технические решения для магистральной инфраструктуры квантовых коммуникаций, обеспечивающих защищенную передачу данных в корпоративных сетях: архитектурные решения, оборудование, программное обеспечение, система доверенных узлов, система мониторинга.
Так, в 2024-2025 годах ожидается завершение целого ряда научно-технических проектов, направленных на разработку и создание ключевых отечественных технологий и элементной базы. Ведется работа по развитию перспективных технологий квантовых коммуникаций (квантовые повторители, протоколы на запутанных состояниях, источники однофотонных состояний и др.), а также разработке компонентной базы (оптические фильтры, детекторы одиночных фотонов и др.).
Перспективы развития квантовых коммуникаций связаны с технологиями атмосферной и спутниковой квантовой связи. Разработки в этом направлении ведутся силами целого ряда научных организаций. Созданы прототипы оборудования для атмосферной квантовой связи в Университете ИТМО, в центрах компетенций НТИ «Квантовые коммуникации» на базе НИТУ МИСиС и «Квантовые технологии» на базе МГУ им. М. В. Ломоносова.
Сформирована кооперация научно-исследовательских организаций и университетов для реализации эксперимента по отработке космической оптической линии связи и квантового канала распределения ключей. Данный проект будет включать создание и вывод на орбиту малого космического аппарата спутникового сегмента квантовой сети, а также разработку концепции космической группировки, и будет запущен в ближайшие несколько месяцев. Реализация технологии спутниковых квантовых коммуникаций объединит спутниковый и наземный сегменты квантовой сети, тем самым обеспечив бесшовное взаимодействие подключенных абонентов отечественной цифровой квантовой платформы.

Сервисы на основе сетей КРК

Технологии квантовых коммуникаций нашли применение в ряде продуктов, которые позволяют создавать сервисы на основе сетей КРК для конечных пользователей. В целом можно сказать, что происходит поэтапное движение к практическому внедрению технологии квантовых коммуникаций и возможности их коммерциализации. В РЖД была проведена работа по исследованию первоочередных задач по внедрению технологий квантовой защиты информации на инфраструктуре железнодорожного транспорта. Предполагается, что одним из первых направлений, где будут использованы технологии квантовой защиты информации, станет формирование защищенных квантовых каналов связи на полигоне Московского центрального кольца.
Следующим этапом и основной задачей после завершения процедур сертификации квантового оборудования и аттестации сетей станет предоставление коммерческих продуктов и сервисов потребителям. И уже сейчас совместно с операторами связи (ЗАО «Компания ТрансТелеКом», ПАО «Ростелеком» и др.) сформирована модель коммерциализации, проводятся пилотные подключения с целью демонстрации и тестирования технологии.
В 2023 году проведен анализ ведущих мировых компаний, опрошено более 100 потенциальных потребителей услуг в России. По результатам данных исследований появилось понимание, какие сервисы будут наиболее востребованы потенциальными клиентами. При этом сервисная модель развития рынка признана наиболее оптимальной, поскольку строительство магистральной инфраструктуры требует значительных капитальных затрат.
Существующий опыт развития технологии квантовых коммуникаций, мнение экспертного сообщества в Российской Федерации и в мире предполагают на данный момент оказание на базе квантовой сети ОАО «РЖД» двух основных видов услуг, к которым относятся:

услуга «ключ как сервис» – передача сформированного на магистральных сегментах квантовой сети квантово-защищенного ключа оператором квантовой сети для использования клиентом (конечным потребителем или оператором более высокого уровня) на собственных средствах криптографической защиты информации (СКЗИ) (рис. 2);

Рис. 2. Схема реализации услуги «ключ как сервис» и роли участников.

услуга по предоставлению квантово-защищенных каналов передачи данных «КВАНТ VPN» – применяется оператором ключа для оказания услуг предоставления конечным потребителям квантово-защищенного VPN, представляющего собой предоставление канала с защитой передаваемого трафика между точками оказания услуг с использованием квантово-защищенного ключа и на базе телекоммуникационной инфраструктуры предоставляющего услугу оператора (в т.ч. арендованных им каналов) (рис. 3).

Рис. 3. Схема реализации услуги по предоставлению квантово-защищенных каналов передачи данных «КВАНТ VPN» и роли участников.

Спектр применения технологий КРК может оказаться намного шире. Для выявления новых перспективных услуг необходим детальный анализ потребностей в управлении информацией в различных отраслях экономики.
В настоящее время при поддержке ОАО «РЖД» ведется или планируется разработка решений, направленных на создание сервисов квантовых коммуникаций: клиентские устройства, доверенные узлы с повышенной пропускной способностью, разработка архитектурных решений, шлюзы мультивендорного сопряжения, прикладное ПО, автоматизированная информационная система предоставления сервисов с гарантированным SLA, система учета и расчетов для сервисов квантовых коммуникаций, зонтичная система управления инцидентами 24/7.
Основными клиентами сервисов КРК станут государственные и финансовые организации, владельцы объектов критической информационной инфраструктуры в области транспорта, энергетики и ТЭК, здравоохранения, связи и др.
C целью обеспечения необходимого географического охвата создается магистральная квантовая сеть ОАО «РЖД», что позволит в перспективе снять технологический барьер для того, чтобы телеком-операторы могли оказывать клиентам, находящимся в различных регионах страны, услуги на основе технологии квантовых коммуникаций.
По итогам 2023 года протяженность квантовой сети в Российской Федерации составила более 3200 км, объединены такие города, как Москва, Санкт-Петербург, Нижний Новгород, Ростов-на-Дону, Казань и другие [3].
В текущем году к квантовой сети будут присоединены Сочи и Екатеринбург, общая протяженность сетей составит 7000 км. По итогам 2030 года планируется создание магистральной инфраструктуры, которая обеспечит необходимый и достаточный географический охват, требуемый потенциальным потребителям внутри страны.
Дальнейшим этапом развития инфраструктуры квантовых сетей станет создание многопользовательских масштабируемых сетей, построенных с использованием оборудования различных вендоров. Такого рода сети состоят из двух или более узлов, соединенных между собой оптоволоконным или атмосферным каналом связи. На каждом сегменте такой сети вырабатываются квантовые ключи, которые служат для передачи ключевой информации (симметричных секретных ключей) потребителям, в качестве которых могут выступать аппаратные или программные СКЗИ.

Архитектура квантовой коммуникационной сети

В рамках выполнения данной задачи ОАО «РЖД» совместно с ПАО «Ростелеком» инициировали работу по разработке архитектуры и методов построения данных сетей с учетом возникающих вопросов по сопряжению разных сегментов сети (магистральных, клиентских) в единое целое.
В настоящее время разработана 5-уровневая структура масштабируемой многопользовательской квантовой коммуникационной сети (ККС), содержащей следующие функциональные уровни (рис. 4):

уровень формирования квантовых ключей;
уровень распределения ключевой информации;
коммуникационный (транспортный) уровень;
уровень управления и мониторинга;
уровень потребителей ключевой информации.

Рис. 4. Структура масштабируемой многопользовательской квантовой коммуникационной сети.

Поскольку квантовая связь осуществляется с помощью одиночных фотонов, то есть очень слабых оптических импульсов, потери при прохождении импульса света по оптико-волоконному кабелю ограничивают квантовую связь расстояниями порядка 100 км. Фотоны распространяются в пределах небольших участков, между которыми находятся промежуточные доверенные узлы. Такие узлы снабжены оборудованием квантового распределения ключей, средствами криптографической защиты информации, сетевым оборудованием, системами бесперебойного питания и климатическими системами, а также системами централизованного мониторинга активного оборудования.
В дальнейшем за счет подключения к доверенным узлам телекоммуникационных операторов станет возможным реализовать последнюю милю и предложить услугу квантового распределения ключей конечному потребителю.
Также ведется непрерывная работа по развитию экосистемы, включая совершенствование нормативного регулирования, стандартизацию, развитие кадрового потенциала, информационное продвижение. В настоящее время реестр экосистемы уже включает более 140 организаций.

Нормативно-техническая база

Для необходимого перехода к единому пониманию сути обсуждения проблем в области квантовых коммуникаций начато формирование нормативно-технического ландшафта [4].

Утверждена Концепция регулирования отрасли квантовых коммуникаций в Российской Федерации до 2030 года [5], определяющая основные подходы к развитию системы нормативного регулирования в Российской Федерации отрасли квантовых коммуникаций для обеспечения глобальной технологической конкурентоспособности.

Разработаны и утверждены приказами Росстандарта шесть предварительных национальных стандартов, которые, пройдя апробацию рынком, должны будут стать национальным регламентом [6-7]:

«Квантовые коммуникации. Общие положения»: устанавливает общие положения в области квантовых коммуникаций.
«Квантовые коммуникации. Термины и определения»: устанавливает термины и определения в области квантовых коммуникаций.
«Квантовый интернет вещей. Общие положения»: устанавливает общие положения в области квантового интернета вещей.
«Квантовый интернет вещей. Термины и определения»: устанавливает термины и определения в области квантового Интернета вещей.
«Квантовый интернет вещей. Типовой программно-аппаратный комплекс распределения ключей, выработанных сетью квантового распределения ключей. Архитектура»: устанавливает архитектуру типового программно-аппаратного комплекса распределения ключей, выработанных сетью КРК, и обеспечивающего защищенную доставку ключей, выработанных сетями КРК, до устройств квантового Интернета вещей, прямое подключение которых к сетям КРК технически невозможно или нецелесообразно.
«Квантовый интернет вещей. Типовой программно-аппаратный комплекс распределения ключей, выработанных сетью квантового распределения ключей. Интерфейсы подключения»: устанавливает требования к интерфейсам подключения типового программно-аппаратного комплекса распределения ключей, выработанных сетью КРК, в части интерфейса взаимодействия с сетью КРК, а также интерфейсов передачи квантовых и квантово-защищенных ключей на терминалы квантового Интернета вещей.

Для реализации функции стандартизации оборудования, используемого при проектировании квантовых сетей, ведутся работы по разработке Рекомендаций по стандартизации совместно с техническим комитетом по стандартизации «Криптографическая защита информации» (ТК-26).
Разработаны и утверждены рекомендации по стандартизации «Защищенный протокол взаимодействия квантово-криптографической аппаратуры выработки и распределения ключей и средства криптографической защиты информации» [8], предназначенные для защиты передаваемых секретных ключей, случайных чисел и сервисной информации. Необходимость их разработки вызвана потребностью в обеспечении совместимости между квантово-криптографической аппаратурой выработки и распределения ключей и средствами криптографической защиты информатизации от различных производителей.
Разрабатываются Рекомендации по стандартизации, которые описывают ключевые системы, определяющие процесс создания целевых ключей квантовой криптографической системы в топологии «звезда» и произвольной топологии: «Информационная технология. Криптографическая защита информации. Ключевая система сети шифрованной связи с использованием ККС ВРК с сетевой топологией «звезда» и «Информационная технология. Криптографическая защита информации. Ключевая система полносвязной многоарендаторной сети шифрованной связи на базе ККС ВРК с ДПУ».

Подготовка специалистов

Решение задач разработки и внедрения технологий квантовых коммуникаций требует особого внимания к вопросам подготовки специалистов с соответствующими знаниями и умениями.
В настоящее время около 30 российских вузов (МГУ им. Ломоносова, МИСиС, ИТМО, СПбГУТ им. Бонч-Бруевича, КНИТУ-КАИ и другие ведущие университеты) реализуют образовательные программы бакалавриата, магистратуры, аспирантуры в области квантовых коммуникаций и в смежных областях. На сегодняшний день подготовлено более 400 выпускников по 22 образовательным программам.
В целях обеспечения единства требований к формированию образовательных программ для подготовки высококвалифицированных специалистов в области квантовых коммуникаций и оценке их профессиональной квалификации разработаны и утверждены два профессиональных стандарта в области квантовых коммуникаций: «Специалист по монтажу и технической эксплуатации квантовых сетей» (вступил в силу с 1 марта 2023 года) [9] и «Специалист по исследованиям и разработкам в области квантовых коммуникаций» (вступил в силу с 1 сентября 2023 года) [10]. Профстандарты описывают деятельность и требования к квалификации специалистов, при этом первый стандарт включает функции по монтажу и эксплуатации линий связи и оборудования квантовых сетей, организации технического обслуживания, локализации и устранения аварий, а второй – функции лаборантов, инженеров-исследователей и научных сотрудников, а также руководителей разных уровней вплоть до главного конструктора организации, осуществляющего исследования и разработки в области квантовых коммуникаций. Также в профстандартах изложены требования к выпускникам организаций высшего и среднего профессионального образования, планирующим связать свою профессиональную деятельность с квантовыми коммуникациями.
На основании указанных профстандартов разработан и утвержден федеральный государственный образовательный стандарт среднего профессионального образования по специальности «Квантовые коммуникации» [11].
Совместно с ОАО «Межведомственный аналитический центр» в 2021-2023 годах проведена большая аналитическая работа по прогнозированию кадровых потребностей в отрасли до 2030 года. Сформированный прогноз коррелирует с текущим и планируемым темпами подготовки кадров. Согласно прогнозу к 2030 году потребуется более 1300 специалистов с профильным высшим образованием и 7000 специалистов со средним профессиональным образованием.
Одним из мероприятий «дорожной карты» является развитие системы онлайн-образования в области квантовых коммуникаций, в рамках которого предусмотрена разработка дистанционных образовательных курсов. Для изучения уже доступны восемь онлайн-курсов различной направленности и сложности.

Взгляд в будущее

Текущими задачами развития технологии и формирования нового рынка предоставления услуг и сервисов, в том числе в рамках нового национального проекта «Экономика данных», являются:

обеспечение сертификации линейки разрабатываемого оборудования и аттестации квантовых сетей;
создание и внедрение конкурентоспособных экономически эффективных решений;
создание условий для развития сетей доступа и обеспечение доступности сервиса, в том числе с использованием атмосферных и космических систем квантовых коммуникаций;
создание отраслевых решений в области квантовых коммуникаций как составляющей комплексной системы информационной безопасности на объектах критической информационной инфраструктуры, в финансовом секторе, в государственных информационных системах, в автономных системах, в здравоохранении и др.;
внедрение технологии квантовых коммуникаций в действующую информационную инфраструктуру (рис. 5).

Рис. 5. Глобальная квантово-защищенная доверенная среда.

Последующим этапом развития планируется создание элементов квантового Интернета и переход к глобальной квантовой доверенной среде, объединяющей в себе взаимодействие наземной и космической инфраструктуры, малых спутников и летательных аппаратов, беспилотного транспорта и мобильных устройств через сеть дата-центров.
Проводимая РЖД, а также другими участниками экосистемы квантовых коммуникаций работа позволит создать комплексную защищённую инфраструктуру цифровой экономики, системы государственного управления, что особенно важно с учетом непрерывно возрастающих угроз в области информационной безопасности.

Список литературы:

Развитие отдельных высокотехнологичных направлений. Белая книга // НИУ «Высшая школа экономики»: сайт. 2022. С. 93. URL: https://issek.hse.ru/mirror/pubs/share/565446894.pdf
Подписаны соглашения о намерениях между правительством и крупными компаниями о развитии отдельных высокотехнологичных направлений // D-Russia.ru: сайт. 2019. 10 июля. URL: https://d-russia.ru/podpisany-soglasheniya-o-namereniyah-mezhdu-pravitelstvom-i-krupnymi-kompaniyami-o-razvitii-otdelnyh-vysokotehnologichnyh-napravlenij.html
Путин спрогнозировал охват квантовых сетей железных дорог к концу 2024 года // РИА Новости: сайт. 2023. 15 декабря. URL: https://ria.ru/20231215/putin-1916051342.html
Бровкина М. «Кванты: как РЖД работают над технологиями будущего» // Бюллетень Правового департамента ОАО «РЖД». 2023. № 3-4 (51-52). С. 19-26
Распоряжение Правительства Российской Федерации от 11 июля 2023 г. № 1856-р «Об утверждении Концепции регулирования отрасли квантовых коммуникаций в Российской Федерации до 2030 года»
Приказы Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 11 июля 2023 г. №№ 22-пнст, 23-пнст, 24-пнст, 25-пнст «Об утверждении предварительного национального стандарта Российской Федерации»
Приказы Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 29 декабря 2023 г. №№ 117-пнст, 118-пнст «Об утверждении предварительного национального стандарта Российской Федерации»
Приказ Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 30 ноября 2023 г. № 1510-ст «Об утверждении рекомендаций по стандартизации»
Приказ Минтруда России от 24 октября 2022 г. № 685н «Об утверждении профессионального стандарта «Специалист по монтажу и технической эксплуатации квантовых сетей»
Приказ Минтруда России от 25 апреля 2023 г. № 327н «Об утверждении профессионального стандарта «Специалист по исследованиям и разработкам в области квантовых коммуникаций»
Приказ Минпросвещения России от 13 июля 2023 г. № 529 «Об утверждении федерального государственного образовательного стандарта среднего профессионального образования по специальности 11.02.19 Квантовые коммуникации»