Российские ученые создают квантовую защиту от квантовой угрозы

Команда физиков заявила о создании 51-кубитного квантового компьютера

РБКHi-Tech

Элементы — Криптография

Российские ученые создают квантовую защиту от квантовой угрозы

Текст Валерия Позычанюк
Фото Артем Глощапов для РБК

В июле команда российских и американских физиков из Гарвардского университета заявила о создании 51-кубитного квантового компьютера. Кубиты — особый тип битов, которыми оперируют квантовые компьютеры, и до июля самым сложным был компьютер производства IBM на 17 кубитах. Пока ученые спорят о том, способен ли новый компьютер решать задачи, которые не доступны обычным компьютерам, но уже понятно, что создание работающего квантового процессора принесет не только новые возможности, но и новые опасности.

Одна из них — квантовый компьютер сможет расшифровать все данные, которые закодированы с помощью сложных математических алгоритмов, и обычные методы криптографии здесь не помогут. Защиту способны обеспечить только устройства, основанные на принципах той же квантовой физики. В России вывод на рынок устройств квантовой криптографии готовят три команды — Российского квантового центра (РКЦ), Московского государственного университета и совместная группа Университета ИТМО и Казанского квантового центра. Команда РКЦ обещает сделать это первой — уже в 2018 году.

Лидер проекта квантовой криптографии РКЦ Юрий Курочкин

Квантовые ключи

Когда два года назад директор РКЦ Руслан Юнусов пообещал инвестору центра, Газпромбанку, первым в России выпустить на рынок коммерческий продукт в сфере квантовой защиты информации, в положительный исход с трудом верил даже лидер проекта физик Юрий Курочкин, посвятивший теме квантового шифрования без малого десять лет. Сейчас в лаборатории на минус первом этаже 30 физиков, инженеров и программистов посменно дорабатывают «квантовый криптограф», чтобы успеть запустить его в серию в следующему году.

Большинство современных систем защиты информации основано на крайней сложности применяемых в них математических алгоритмов. Один из самых популярных сегодня методов предполагает использование криптографии с открытым ключом. Ключ — секретная информация, с помощью которой зашифрованное сообщение передается по открытому, незащищенному каналу, отсюда и название. Создать ключ довольно просто, а вот взлом сообщения, которое с его помощью зашифровано, — очень сложная математическая задача, решить которую с существующими компьютерными мощностями практически невозможно, поскольку на это потребуется очень много времени, объясняет научный сотрудник РКЦ и один из руководителей проекта квантовой криптографии Алексей Федоров.

Участник проекта Алексей Федоров

Ситуация может в одночасье измениться: в следующие пять-десять лет в мире может появиться квантовый компьютер, мощностей которого окажется достаточно для расшифровки сообщений, зашифрованных криптографией с открытым ключом, и против которого сегодняшние методы этой криптографии будут бесполезны. Решение проблемы нашлось там же, где и ее причина: на смену математической криптографии приходит квантовая, базирующаяся на строгих физических законах.

Технологии квантовой криптографии точнее будет назвать технологиями квантового распределения ключа, и решают они как раз главную проблему классической криптографии — безопасного распределения ключей. «Вы можете выработать ключ, с помощью которого зашифруете сообщение так, что никто не сможет его прочесть. Но передать этот ключ получателю сообщения так, чтобы быть абсолютно уверенным, что он не был прочитан третьей, нежелательной стороной, вы не можете », — объясняет Федоров.

Квантовое распределение ключей решает эту проблему: ключ генерируется и передается с помощью фотонов, приведенных в определенное квантовое состояние. Перехватить передачу этих элементарных частиц, оставшись незамеченным, невозможно: это противоречит законам физики. Нельзя клонировать неизвестное квантовое состояние — это закон физики, сформулированный Уильямом Вуттерсом, Войцехом Зуреком и Деннисом Диэксом в 1982 году. «Если информация закодирована элементарными квантовыми состояниями, то попытка ее «подслушать» внесет в передаваемые данные ошибки, которые очень легко заметить и измерить. Если ошибок много, информацию могли пытаться узнать посторонние. Тогда ключ просто выкидывается и подбирается новый, и так пока не найдется вариант, при передаче которого не будет превышен допустимый уровень ошибок», — объясняет Вадим Макаров, эксперт по квантовой связи и руководитель лаборатории квантового взлома в Институте квантовых вычислений Университета Ватерлоо (Канада).

Для «безопасного коннекта» у обеих сторон соединения должно быть два устройства: лазер, источник фотонов с одной стороны, и детектор, «считыватель» фотонов, с другой. Они соединены оптоволоконным кабелем, по которому передается ключ. Скопировать квантовый ключ нельзя. Таким образом, система дает абсолютную защиту пересылаемым данным. Но сейчас у квантовой коммуникации есть заметная слабость: передавать ключи с помощью фотонов можно только на расстояния 50–100 км. На более длинных дистанциях оптоволокно поглощает фотоны, что кратно снижает скорость передачи информации и делает систему непригодной для практического использования, рассказывает Макаров.

Чтобы создать защищенную линию, например между Москвой и Санкт-Петербургом, понадобится примерно десять раз воспроизвести систему «защищенные — источник-детектор одиночных фотонов», каждый раз устанавливая приемо-передающие станции с защищенным узлом, доступ к которым будет только у доверенных лиц. Пока не проложены магистральные «квантовые» каналы связи, использовать которые смогут одновременно многие пользователи, потребителями технологии, скорее всего, будут компании, которым необходима защищенная линия внутри одного города.

«Фотон как курица»

Проект РКЦ самый молодой: разработку коммерческого устройства ученые центра начали около двух лет назад, тогда как университетские команды работают над своими проектами уже по восемь-десять лет. «Под проект получили инвестиции от Газпромбанка и изначально начинали разработку с прицелом максимально быстрого выхода на рынок. Возможности работать в «университетском» формате и тратить на разработку многие годы у нас не было», — говорит Курочкин. В 2015 году Газпромбанк вложил в эту и другие разработки РКЦ 230 млн руб. Сократить срок разработки команде РКЦ помогло и то, что в проекте использовались разработанные предшественниками из других научных организаций инженерные решения, а также алгоритм генерации ключа, известные всем научным группам, ведущим исследования в этой области.

Другое устройство, которое разрабатывает команда Университета ИТМО, проходит испытания на пилотных зонах в Петербурге, Казани и Самаре. Оно появится в ближайшие год-два, обещают в вузе. Разработчики придумали свой способ передачи фотонов, который, по словам участников команды проекта, поможет улучшить технические характеристики. Обычно в устройствах такого типа квантовый сигнал формируется непосредственно источником и передается сначала в одну сторону, затем отражается и идет обратно: это нужно для компенсации воздействия внешней среды на линию связи, говорит лидер проекта, физик Артур Глейм.

«Мы придумали другой способ: идея в том, чтобы «поместить» квантовый сигнал на боковой частоте сильного классического оптического сигнала, отправлять сильный импульс, а рядом с ним с отстройкой по частоте квантовый сигнал. Кодирование происходит относительно центральной (опорной) частоты. Благодаря этому ему не нужно проходить путь дважды, увеличиваются скорость и расстояние», — объясняет Глейм.

Все три проекта российских институтов примерно равнозначны по своим характеристикам, очевидного лидера среди них нет, считает Вадим Макаров. «Фотон как курица. Каждый «ресторан» готовит его по-своему, но отличие только в этом, а принцип работы остается одним и тем же». На мировом рынке уже есть работающие устройства для квантовой криптографии. Швейцарская ID Quantique сделала первую коммерческую систему больше десяти лет назад. Выпускают такие устройства компании из Японии (Toshiba), Великобритании (QinetiQ), Австрии (Austrian Institute of Technology) и Китая — правда, купить на открытом рынке можно только швейцарские и австрийские устройства.

Конкурировать с зарубежными производителями, по мнению Макарова, российским компаниям будет довольно сложно: все они уже не первый год рынке, новичкам же только предстоит пройти этот путь. Но информационная безопасность — очень болезненная тема, и по крайней мере один рынок, российский, останется полностью в распоряжении местных производителей, говорит ученый. «У российских устройств есть и экспортный потенциал: в конце концов, для России экспорт оружия — одна из существенных статей дохода, не вижу причин, почему не найдутся покупатели и на устройства квантового шифрования», — добавляет Макаров.

Меньше чем через 30 лет устройства квантовой криптографии станут частью наших компьютеров, предполагает эксперт по квантовой связи Вадим Макаров

Спрос и предложение

Комплект устройства квантовой криптографии от швейцарской ID Quantique обойдется в $200 тыс. Устройство от РКЦ должно стоить меньше — около $150 тыс., говорят в РКЦ. Выводить на рынок разработку, представляющую черную коробку размером примерно с системный блок компьютера, будет отдельный стартап РКЦ — компания QRate. Основными покупателями новых систем, считает Макаров, станут правительство, банки и крупный бизнес — те структуры, у которых бюджеты на информационную безопасность достаточно велики, чтобы дополнительные траты не внесли в них радикальных изменений. В РКЦ ориентируются прежде всего на банки. Кроме Газпромбанка команда лаборатории договорилась о сотрудничестве в сфере квантовых технологий с ВЭБом. Когда угроза современным методам шифрования станет вполне реальной, квантовая связь должна уже быть налажена, заявил журналу РБК вице-президент банка Глеб Юн. Всего ВЭБу могут потребоваться десятки таких устройств, на внедрение которых может понадобиться несколько лет, говорит он. Газпромбанк не ответил на вопросы журнала РБК.

Команда Университета ИТМО и Казанского квантового центра сфокусировалась на другом сегменте рынка — телеком-компаниях. Именно оператор связи «Таттелеком» первым протестировал на своих сетях их разработку. Операторы станут основными потребителями технологий квантовой защиты данных, уверен Артур Глейм: «Защита данных не должна быть головной болью потребителя. Благодаря квантовой криптографии операторы, которые раньше продавали только саму доставку данных, теперь смогут занять новую нишу. Это выгодно всем».

Это не значит, что операторы и другие потенциальные клиенты сразу начнут раскупать новые устройства. «Технология квантовой криптографии — очень инновационная, и для вывода прототипов оборудования в промышленное производство требуется тестирование на сетях реальных потребителей, говорит директор по информации и новым технологиям «Таттелекома» Альберт Яковлев. Производители оборудования также должны будут получить сертификат ФСТЭК, добавляет он: «Мы оцениваем продолжительность всех этих процедур не менее чем в три-пять лет». При этом Яковлев отметил, что «Таттелеком» будет помогать Казанскому квантовому центру в тестировании технологии.

Зачем бизнесу тратиться на устройства, защищающие от угрозы, которая не появится еще примерно десять, а может, 30 лет? Чтобы понять, необходима ли вам квантовая криптография, надо оценить «срок годности» ваших секретов: если он больше десяти лет, устройства нужно ставить прямо сейчас. Любой, кто обладает ресурсами для хранения больших объемов информации, может записывать все данные, которые передает компания или банк, даже если пока не может их расшифровать, объясняет Макаров. Как только появится квантовый компьютер, способный их расшифровать, эти данные перестанут быть секретом, говорит он: «Если у вас шифруются данные, ценность которых сохраняется достаточное число лет, нужно защищать их уже сейчас — системами защиты, устойчивыми к будущим атакам. Это вопрос долговременного планирования и долговременных рисков».


$1 млрд

Приблизительно такой объем у рынка квантовой криптографии на сегодняшний день

50-100 км

Примерно на таком расстоянии сегодня могут работать устройства квантовой криптографии

$200 тыс.

Ориентировочная стоимость комплекта устройств квантовой криптографии от швейцарской компании ID Quantique, лидирующей на рынке квантовой связи

Источник: Университет ИТМО, Российский квантовый центр

Авторизуйтесь и читайте статьи из популярных журналов

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

«Киллеры госзаказа» «Киллеры госзаказа»

Как устроен бизнес профессиональных жалобщиков в сфере госзакупок

РБК, январь'19
Список Forbes Список Forbes

Патрик Драй, Сергей Петров и Михаил Гуцериев

Forbes, август'19
«Лагом»: 5 шагов к благополучию по-шведски «Лагом»: 5 шагов к благополучию по-шведски

Шведскую концепцию жизни под непереводимым на другие языки названием «лагом» культурологи вспомнили на волне популярности датского понятия «хюгге». Эти две национальные жизненные философии принято сравнивать. И все же у них больше разного, чем общего, считает Анн Тумье, автор «Книги о лагом».

Psychologies, август'17
Свадебные генералы Свадебные генералы

Как устроен мир брачных аферистов

GQ, сентябрь'17
Renault Koleos Renault Koleos

Новый флагманский кроссовер французского бренда

Quattroruote, июль'17
Говорит и показывает кинокомпания Netflix Говорит и показывает кинокомпания Netflix

Телевидения и развлечений для гостиной компании Netflix уже недостаточно

CHIP, август'17
Между нами любовь Между нами любовь

Тутта Ларсен – о роли мужчины в современной семье и отношениях с детьми

Домашний Очаг, август'17
Трудно быть бледным Трудно быть бледным

В Африке к югу от Сахары светлые волосы и кожа цвета слоновой кости сулят беду

National Geographic, июль'17
Большая энциклопедия джентльмена. Том XV Большая энциклопедия джентльмена. Том XV

22 правила поведения на собственной свадьбе

GQ, август'17
Люди в Донбассе невероятно выносливы Люди в Донбассе невероятно выносливы

Александр Хуг о миссии ОБСЕ, отчаянии и надежде

Русский репортер, июль'17
Горе от интеллекта Горе от интеллекта

Миллиардер Илон Маск, его любимая Эмбер Хёрд и прочая головная боль

Tatler, август'17
Жизнь на грани Жизнь на грани

Глобальное потепление угрожает обитателям Галапагосских островов

National Geographic, июнь'17
Михаил Шуфутинский:  «Я ежедневно открываю для себя что-то новое!» Михаил Шуфутинский:  «Я ежедневно открываю для себя что-то новое!»

Интервью с Михаилом Шуфутинским

Лиза, июль'17
Как спланировать летний отдых без стресса Как спланировать летний отдых без стресса

Летний отпуск — мы ждем его весь год. Но чем ближе заветная дата, тем больше мы нервничаем: удастся ли спланировать путешествие так, чтобы всем было удобно и интересно. Выясняем, как уменьшить уровень стресса и облегчить подготовку к поездке.

Psychologies, июль'17
Типа Грибы Типа Грибы

Почему украинские рэперы так популярны в России

РБК, июль'17
Александра Маринина: Жизнь организована по мужским правилам Александра Маринина: Жизнь организована по мужским правилам

Женщина всегда сможет найти свое место даже в традиционно мужской профессии

Лиза, июль'17
Новые законы робототехники Новые законы робототехники

Должны ли роботы получить правовой статус электронных лиц?

Популярная механика, август'17
Заслан­ный казачок Заслан­ный казачок

Александр Ревва рассказал о своих дочках, спорте и перевоплощениях

Glamour, август'17
Бои глобального значения Бои глобального значения

Командные схватки DJI RoboMasters – эпицентр новой революции роботов

Популярная механика, август'17
Jeep Compass Jeep Compass

Второе поколение кроссовера обещают привезти в Россию в конце осени этого года

АвтоМир, июль'17
Самый развратный сапожок Самый развратный сапожок

Калигула стал первым императором, чью славу составили безумства и преступления

Дилетант, август'17
Акты насыщения Акты насыщения

Так бы ее и съел

Men’s Health, август'17
От благодарного генофонда От благодарного генофонда

Ежегодный обзор лауреатов Дарвиновской премии

Maxim, август'17
Да, я тихоня! Да, я тихоня!

Почему ребенок так не любит общаться?

Лиза, июль'17
Найдена в сети Найдена в сети

Чем руководствуются мужчины, когда выбирают пару в приложениях

Cosmopolitan, август'17
Ресторанный рейтинг 2017 Ресторанный рейтинг 2017

Лучшие рестораны страны

GQ, август'17
5 китайских секретов долголетия 5 китайских секретов долголетия

Китай на первом месте по численности населения. Не только из-за высокой рождаемости, как принято считать, но и из-за высокой продолжительности жизни. Специалист по традиционной китайской медицине профессор Ли Цзюньи раскрывает основные национальные принципы сохранения молодости и здоровья.

Psychologies, июль'17
Направления цигуна: медитировать или разбивать кирпичи? Направления цигуна: медитировать или разбивать кирпичи?

Когда я говорю, что преподаю гимнастику цигун, реакция бывает разной: от утверждений «Говорят, это полезно» до вопросов «А умеешь ли ты рукой раскалывать кирпичи?». Что такое настоящий цигун, зачем он нужен и можно ли считать себя хорошим практиком, если кирпичи колоть не хочется? Объясняет специалист по китайской медицине Анна Владимирова.

Psychologies, июль'17
Корявый виртуоз Корявый виртуоз

Невероятная история Валерия Попенченко

Men’s Health, август'17
Срываюсь на ребенке Срываюсь на ребенке

Что делать, если не можешь сдержать агрессию по отношению к ребенку?

Лиза, июль'17