Квантовые технологии в России: от ВКС до защиты от квантовых кибератак

В погоне за лидерами

Россия не так давно развивает квантовые технологии, но уже добилась впечатляющих результатов. На фоне некоторых стран, которые вкладывают в это направление больше средств, но не имеют пока квантовых компьютеров, РФ может похвастаться такими машинами, причём на всех четырех приоритетных платформах (ионы, атомы, фотоны и сверхпроводники). Такого добились лишь в США и Китае. В нашей стране собран квантовый компьютер с процессором на 50 кубит (аналоги есть только в пяти странах).

Сергей Петренко Фото: © из личного архива Сергея Петренко

«Модель квантовых вычислений сравнительно молодая. Её первая инженерная реализация в России случилась 10 лет назад, но тогда мало кто верил как в саму модель, так и в её вычислительные возможности. Однако со временем она получила признание и доверие. Пять отечественных квантовых компьютеров — это далеко не предел. В начале 2025 года была обновлена дорожная карта по квантовым вычислениям. В планах создать квантовый компьютер с 100 кубитами к 2030 году. Это значимый результат, вполне сопоставимый с лучшими новаторскими решениями европейцев и американцев», — отмечает руководитель группы «Квантовая информатика и информационная безопасность» Научного центра информационных технологий и искусственного интеллекта Университета «Сириус» Сергей Петренко.

Пять лет развития квантовых технологий в России

2020 год — федеральный проект «Цифровые технологии» национальной программы «Цифровая экономика Российской Федерации» набирает обороты. Дорожные карты проектов по развитию квантовых вычислений и коммуникации выполняют специалисты Росатома и РЖД.

2021 год — состоялась первая в России видео-конференц-связь через проложенную РЖД магистральную квантовую сеть Москва — Санкт-Петербург, одну из самых крупных в мире. ВКС такого типа позволяет передавать большие массивы данных с высочайшим уровнем защищённости. 

2023 год — на I Форуме будущих технологий продемонстрировали первый отечественный 16-кубитный квантовый компьютер на ионах.

2024 год — на II Форуме будущих технологий представлены квантовые компьютеры на всех четырёх технологических платформах: атомах, ионах (иттербия и кальция), фотонах и сверхпроводниках. В атомной отрасли запустили первую программу внедрения квантовых вычислений, в том числе квантовых алгоритмов. 

2025 год — стартует новый нацпроект «Экономика данных и цифровая трансформация государства», главная цель которого — формирование рынка больших данных. 

#технологии #квантовый компьютер

Интернет с кубитами и диагностика аутизма: где применять квантовые технологии

Читать

Квантовые риски 

Важную роль квантовые технологии приобретают в сфере кибербезопасности. В текущем году крупный российский бизнес инвестирует в защиту своей информации в среднем около 300 млн рублей. Это почти на треть больше, чем в 2024-м. Согласно данным опроса, почти все компании (89 %) при разработке стратегии кибербезопасности анализируют ключевые риски, но лишь 5 % закладывают в бюджет траты на защиту от атак с применением квантового компьютера. Актуальна и защита от классических киберугроз. Лишнее тому подтверждение — недавний взлом ИТ-инфраструктуры «Аэрофлота», из-за чего пришлось отменить десятки рейсов.

Хакерские атаки могут не только нарушить работу отдельных транспортных узлов, но и повлиять на авиасообщение по всей стране Фото: © vaalaa / Shutterstock / FOTODOM

Особое внимание обеспечению информационной безопасности предстоит уделять с развитием квантовых компьютеров. Такие мощные машины способны взломать большую часть современных криптографических алгоритмов. В первую очередь уязвимыми окажутся системы шифрования и протоколы с открытым ключом, в том числе схемы электронной цифровой подписи (ЭЦП), прикладные протоколы защищённой передачи данных в интернете — например, распространённый протокол HTTPS. Под угрозой будут и цифровые финансовые активы: инструменты в блокчейн-системах, предоставляющие права на цифровые объекты или данные (в том числе на токены и криптовалюту), а также более сложные — например, смарт-контракты и цифровые деньги, в том числе цифровой рубль.

Четыре направления развития квантовых технологий

Квантовые вычисления — основаны на принципах квантовой физики, при помощи которых выполняются вычислительные операции. Квантовый компьютер ускоряет процесс за счёт управления квантово-механическим состоянием большого числа связанных между собой квантовых битов (кубитов);

Квантовые коммуникации — передача информации, закодированной в одиночные квантовые объекты. При этом неизменность и достоверность передаваемой информации гарантируются физическими законами, а не математическими алгоритмами, как в традиционных подходах. Наиболее эффективным сегодня считается метод квантового распределения ключей для создания защищённых каналов связи; 

Постквантовая криптография — набор криптографических алгоритмов, разработанных для защиты данных от кибератак, осуществляемых с использованием квантовых компьютеров; 

Квантовые сенсоры — измерительные приборы, использующие сверхчувствительные квантовые датчики. Высокая степень контроля над состоянием отдельных микроскопических систем позволяет создавать, например, сверхточные устройства навигации или сенсоры электромагнитных полей.

Ионная ловушка процессора российского квантового компьютера Фото: © ФГБУН Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук

Квантовые коммуникации и постквантовая криптография как методы защиты данных станут неотъемлемыми элементами безопасности будущей экономики. Выделяют три ключевых направления развития квантовой информационной безопасности.

1. Создание и переход на постквантовые криптографические примитивы и электронную подпись на основе разделов математики, содержащих сложные вычислительные задачи, для которых ещё не известны эффективные алгоритмы решения на классических и квантовых вычислителях. Например, на основе решёток, многочленов от многих переменных, изогении на эллиптических кривых, октонионов, многочленов Чебышева, конечных некоммутативных ассоциативных алгебрах (КНАА).
2. Разработка единичных квантово-устойчивых компонентов и связи систем с математически доказуемой стойкостью. В том числе квантовых протоколов передачи данных, которые невозможно незаметно перехватить и дешифровать, систем квантового распределения ключей, квантовых генераторов действительно случайных чисел. 
3. Программно-техническая реализация принципиально новых квантово-механических моделей ключевых цифровых экосистем и платформ экономики данных страны на физических принципах и законах квантовой механики. В этом направлении уже несколько лет работает американский математик и информатик — автор известного квантового алгоритма факторизации Питер Шор. В 2022 году он вместе с коллегами из MIT и Harvard University ввёл в обиход понятие «квантовых денег». Эта технология позволяет проверять право собственности на криптовалюту в автономном режиме, не требуя глобальной синхронизации с блокчейном. 

Сейчас криптографы во всём мире стараются разработать и стандартизировать постквантовые криптографические механизмы. В Национальном институте стандартов и технологий США из 69 перспективных алгоритмов отобрали лучшие квантово-устойчивые криптографические схемы инкапсуляции ключа и цифровой подписи и подготовили первые четыре стандарта.

Пока на российском рынке сохраняется зависимость от зарубежных решений кибербезопасности, особенно в сегменте сетевой безопасности Фото: © LightField Studios / Shutterstock / FOTODOM

В России уже есть собственный алгоритм электронной подписи «Шиповник», устойчивый к атакам не только с помощью суперкомпьютеров, но и квантовых вычислительных машин. Стойкость этой схемы ЭЦП к подделке основана на сложности задачи декодирования случайного линейного кода. Для таких задач до сих пор не придуманы эффективные алгоритмы решения ни на классическом компьютере, ни на квантовом.

Решения квантовой безопасности Сириуса

Противодействием новым квантовым угрозам занимаются и в Научно-технологическом университете «Сириус». Год назад там началась работа по профильному мегагранту, и уже появились первые значимые результаты. Научному коллективу, куда вошли шесть докторов технических и физико-математических наук, специалисты по криптографии и информационной безопасности, удалось создать четыре постквантовые криптосхемы для защиты финансовых данных. Такие инструменты для противодействия квантовым атакам в первую очередь нужны банкам и финансово-кредитным организациям. Кроме того, в Университете «Сириус» разработали три новых типа постквантовых алгоритмов электронной цифровой подписи с высокой стойкостью к подделке.     

Михаил Ширяев Фото: © Ярослав Яровой / Медиадом «Сириус»

«Построение трех новых постквантовых алгоритмов ЭЦП на основе КНАА с двумя скрытыми группами и их доведение до программной реализации — значимое событие для международного криптографического сообщества и важная веха в развитии отечественной постквантовой криптографии. Благодаря этому можно создавать надёжную электронную подпись, устойчивую к атакам с использованием самых мощных суперкомпьютеров традиционной архитектуры фон Неймана и ещё только разрабатываемых практически значимых квантовых компьютеров», — отмечает исполнительный директор Научного центра информационных технологий и искусственного интеллекта Университета «Сириус» Михаил Ширяев.

На базе указанных алгоритмов были созданы два набора инструментов для разработки ПО, или SDK. Оба одобрены Минцифрой. Каждый набор позволяет создавать квантово-устойчивые цифровые платформы, которые, как уже было сказано выше, нельзя взломать ни с помощью суперкомпьютера, ни с помощью квантовой вычислительной машины. Такой результат достигнут на основе модификации машины Изинга, хотя такие квантовые симуляторы обычно не используют для поиска оптимальных решений в сфере безопасности. В основном их применяют для оптимизации и решения таких задач, как управление рисками или инвестиционными проектами.

«Посквантовым алгоритмом ЭЦП заинтересовалась Вьетнамская академия наук — они хотят сделать его национальным. Мы готовы к сотрудничеству, но сначала нужно завершить работу по обеспечению интеллектуальной собственности на разработки. На данный момент в Университете „Сириус“ уже подано шесть заявок на программы для ЭВМ и на подходе ещё 20. Мы готовим и документацию для международных патентов, опубликовали ряд статей в высокорейтинговых журналах. В планах издать по теме исследований, проводимых в НТУ „Сириус“, три монографии на разных языках», — рассказывает Сергей Петренко. 

В нашей стране насчитывается более 75 тыс. предприятий — так называемых объектов критической информационной инфраструктуры Российской Федерации. Все они используют защищённые каналы связи, симметричные и асимметричные криптопримитивы. Если удастся внедрить разработанные в Сириусе решения хотя бы в 10–15 % организаций, можно говорить о значимом практическом эффекте в масштабах страны. Для распространения своих разработок научный коллектив планирует наладить сотрудничество с компаниями — резидентами Инновационного научно-технологического центра федеральной территории. На следующих этапах предстоит привлекать инженеров, которые на базе криптоалгоритмов и криптосхем будут создавать локализованные решения для каждого конкретного направления и предприятия. В перспективе нужна целая экосистема, частью которой должны стать резиденты и Образовательный центр «Сириус». Также предстоит организовать опытное производство при Научном центре информационных технологий и искусственного интеллекта Университета «Сириус».

На данный момент в ИНТЦ «Сириус» более 100 резидентов Изображение: © Валентина Межецкая / «Сириус(Журнал»

«В сфере цифровой трансформации лидируют шесть основных информационных технологий. Это ИИ, большие данные, квантовые технологии, распределённый реестр и блокчейн, робототехника, а также всё, что связано со связью и облачными системами. Мы двигаемся в каждом из них. Где-то — напрямую, как с квантовыми технологиями, ИИ, блокчейном, большими данными и беспилотными моделями, а где-то — косвенно, как со связью пятого и шестого поколений (5G и 6G). Гранты, по которым мы работаем, и высокая конкуренция задают жёсткие временные рамки», — объясняет Сергей Петренко. 

Разработки учёных Сириуса в области квантовой безопасности представили Президенту России Владимиру Путину во время его недавнего визита в лабораторный комплекс Научно-технологического университета «Сириус». Говорили о решениях по защите национальных блокчейн-систем и цифровой экономики, об образовательных программах в области квантовой кибербезопасности и ИИ.

«Ещё одно важнейшее направление — защита населения, в первую очередь талантливой молодёжи, от деструктивного информационного контента. Мы проводим исследования для раннего выявления психологических угроз и информационных манипуляций, в том числе с применением больших языковых моделей», — рассказал доктор технических наук, доцент и заместитель руководителя научной группы Научного центра информационных технологий и искусственного интеллекта Университета «Сириус» Константин Гнидко. 

Что впереди?

Сейчас для квантовых компьютеров создано 11 типов чипов, и разработчики каждого из них пытаются доказать, что их подход самый перспективный. Над этими задачами бьются в основном физики. Они создают «железо», и как только это будет сделано, передадут эстафетную палочку инноваций математикам и информатикам, в том числе безопасникам. Те начнут строить операционные системы и программы.

«Чтобы разработать релевантную или практически полезную на практике суперЭВМ Джону фон Нейману понадобились такие умы, как Алан Тьюринг. На основе математической машины Тьюринга выстроена вся логическая часть современных компьютеров, цифровые протоколы и интернет. Подобный прорыв должен произойти и в мире квантовых компьютеров. Скорее всего, он будет в двух направлениях — квантовых и гетерогенных, которые будут включать элементы фон Неймана, нейросетевые, нейроморфные и другие. То есть перед наукой встаёт очень красивая теоретическая задача — сначала создать, а затем апробировать на практике универсальную квантовую машину Тьюринга. Её уже пытались построить несколько раз, но по разным причинам безуспешно. С каждым годом решение этой проблемы становится все ближе и ближе», — уверяет учёный. 

В будущем Сергей Петренко с коллегами планирует заняться созданием такой универсальной квантовой машины Тьюринга. Рассчитывает, что к тому времени в Сириусе будут куборешатель и собственный квантовый компьютер.