Фотонная защита

ОАО РЖД запустило в пилотную эксплуатацию первую линию квантовой связи между Москвой и Петербургом, которая гарантирует абонентам наивысший уровень киберзащищенности.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

8 июня Россия торжественно вступила в эпоху квантовых коммуникаций: между Москвой и Санкт-Петербургом состоялся первый в истории телемост с использованием нового типа защищенной связи, основанного на фундаментальных явлениях физики элементарных частиц. Участниками тестовой видеоконференции стали вице-премьер РФ Дмитрий Чернышенко, губернатор Санкт-Петербурга Александр Беглов и генеральный директор ОАО «Российские железные дороги» (РЖД) Олег Белозеров, компания которого по поручению правительства выступает национальным интегратором всех усилий и компетенций в области квантовых коммуникаций. Пилотный 700-километровый участок будущей разветвленной квантовой сети, построенный ОАО РЖД в сотрудничестве с Санкт-Петербургским университетом информационных технологий, механики и оптики, российскими компаниями «Специальный технологический центр», «СМАРТС-Кванттелеком» и «Амикон», стал вторым по протяженности в мире после китайской линии Шанхай—Пекин (ее длина — 2 тыс. км, построена в 2017 году).

Принципиальное отличие квантовой линии связи — уникальная киберзащищенность, которая достигается через обмен между абонентами очень мелкими квантовыми импульсами — буквально отдельными фотонами. В основе инновационной технологии шифрования данных лежит один из основополагающих принципов квантовой механики — принцип неопределенности Гейзенберга. Суть его в том, что попытка измерить какой-либо параметр элементарной частицы, например скорость, неизбежно приводит к искажению других ее характеристик, таких как импульс или спин частицы. Криптографический ключ, построенный с использованием этого свойства единичных фотонных импульсов, позволяет мгновенно установить, что кто-то внешний попытался «прочитать» передаваемое сообщение, не говоря уже о возможности его перехвата и дешифровки. Подключиться к такой сети незаметно, а тем более навредить идущему потоку данных злоумышленник попросту не успеет, а значит, пользователи такой связи могут не сомневаться, что вся полученная ими информация пришла из надежного источника и полностью достоверна.

Отправлять единичные фотоны можно по обычным оптоволоконным сетям, где параллельно «путешествуют» триллионы фотонов традиционной связи, но для генерации отдельных квантов энергии, их трансляции, приема и декодирования нужны специальные устройства. На значительных расстояниях (более 100 км) потери отдельных частиц в оптическом канале неизбежны, поэтому фотоны «перебрасываются» на более коротких участках между доверенными узлами квантовой сети. На линии Москва—Санкт-Петербург расположено 18 таких типовых узлов и несколько крупных центров управления данными, которые в дальнейшем призваны стать точками разветвления сети на целую квантовую «паутину» по всей стране. Центральный управляющий узел системы физически расположен в Москве в Главном вычислительном центре ОАО РЖД, еще один — в Смольном в Санкт-Петербурге, третий мощный квантовый объект связи размещен посередине между столицами на базе центра обработки данных «Ростелекома» в г. Удомля Тверской области неподалеку от Калининской атомной электростанции.

Линии связи, защищенные квантовой криптографией, предоставляют совершенно новое качество надежности передаваемых данных, что критически важно для стратегических и оборонных промышленных предприятий, транспортной и энергетической инфраструктуры, органов государственного управления, коммерческих организаций и самих граждан, персональные данные которых все чаще становятся доходной добычей киберпреступников. По прогнозам ОАО РЖД, к 2024 году в России появится более 7 тыс. км квантовых сетей, а также запустится целый рынок квантового оборудования для их создания. В перспективе национальная квантовая сеть должна уметь подключаться к зарубежным (аналогичные разработки ведутся не только в Китае, но и в странах ЕС и США), а российские разработчики смогут занять существенную долю на глобальном рынке квантовых устройств связи и услуг квантовой криптографии.

Дальнейшее развитие квантовых коммуникаций связано с теоретической возможностью не только шифровать, но и непосредственно передавать информацию с помощью квантов. Это можно сделать благодаря еще одному удивительному явлению природы — «квантовой запутанности» элементарных частиц, название которого закрепилось за ним с 1935 года с легкой руки одного из основоположников квантовой механики, австрийского физика-теоретика Эрвина Шредингера, который анализировал теоретический спор других великих ученых: Альберта Эйнштейна, Бориса Подольского и Натана Розена. Проводя свои мысленные эксперименты, они обнаружили невероятное: если пара фотонов становится «квантово запутанной», то их некоторые характеристики становятся взаимозависимыми, хотя они больше не связаны между собой никакими известными взаимодействиями и далеко разнесены друг от друга в пространстве.

Для сферы телекоммуникаций это удивительное свойство элементарных частиц означает, что таким способом можно в теории передавать закодированную информацию абсолютно на любые расстояния без всяких проводов или оптических линий, причем информация будет доходить до получателя не со скоростью, близкой к скорости света, а мгновенно. Более того, в отличие от традиционных компьютерных систем, использующих «биты» в качестве минимальной единицы информации, квантовый компьютер оперирует «кубитами», которые могут нести в себе гораздо больше данных: при увеличении количества используемых кубитов потенциальный объем передаваемой информации растет по экспоненте.

Получать «запутанные» фотоны уже научились: лазером просвечиваются специальные кристаллы, проходя через которые луч разделяется на два или несколько потоков частиц с взаимозависимыми характеристиками. Экспериментальное подтверждение эффекта «квантовой телепортации» было зафиксировано в 1997 году независимыми группами ученых под руководством австрийца Антона Цайлингера и итальянца Франческо де Мартини, а реально перенести кубит информации на расстояние метра удалось лишь в 2006 году американскому Объединенному квантовому институту, созданному на базе Университета Мэриленд и Национального института стандартов и технологий, являющегося подразделением управления по технологиям Министерства торговли США.

Однако технологии хранения и транспортировки запутанных фотонов, хоть сколько-нибудь готовых к промышленному внедрению, еще не созданы нигде в мире, а это значит, что у России еще есть шансы перехватить лидерство в глобальной «квантовой гонке» и получить баснословный приз. С появлением мгновенной связи как минимум будет радикально решена одна из главных проблем освоения человечеством дальнего космоса, поскольку задержка традиционных электромагнитных и радиосигналов, посылаемых с Земли до спутников и обратно, на столь длинных дистанциях составляет минуты, часы и дни.

А пока, по словам Сергея Кулика, научного руководителя Центра квантовых технологий физического факультета МГУ, члена экспертной группы «Космические системы квантовых коммуникаций», в рамках реализации нацпроекта «Цифровая экономика» и «дорожной карты» ее подпрограммы «Квантовые коммуникации» нашей стране предстоит повторить на российском оборудовании результат недавнего китайского эксперимента и передать с низкоорбитального спутника квантовый криптографический ключ на наземный терминал «по линии прямой видимости» сквозь толщи земной атмосферы и космического вакуума.

Андрей Воронин