CC BY
376Сухоручкина И.Н.
к.т.н., с.н.с. Всероссийского института научной и технической информации РАН.
insukhoruchkina@mail. ru
КВАНТОВЫЕ КОММУНИКАЦИОННЫЕ СЕТИ В ИНФРАСТРУКТУРЕ СВЯЗИ
Ключевые слова: квантовые коммуникации, квантовые сети, квантовые технологии, квантовая криптография, квантовый компьютер, квантовое распределение ключей, квантовый Интернет, квантовая телефония, дорожная карта «Квантовые коммуникации», Закон о Национальной квантовой инициативе США, Национальный научно -технический проект по квантовой информации в Китае, Токийская сеть с квантовым распределением ключей.
Keywords: quantum communication, quantum networks, quantum technology, quantum cryptography, quantum computer, quantum key distribution, quantum Internet, quantum telephony network, roadmap «Quantum Communications», U.S. National Quantum Initiative, National Science and Technology Project on Quantum Information in China, Tokyo QKD Ne t-work.
Введение
Квантовые технологии и коммуникации - перспективные и прорывные технологии в области информационных технологий, цифрового развития, связи и коммуникаций XXI века в России, США, Китае, Японии и странах ЕС. В РФ квантовые коммуникации развиваются для защиты информационно -телекоммуникационных сетей, информации финансового сектора, госорганов и высокотехнологичных компаний.
В квантовых коммуникационных сетях (quantum networks) на основе технологий квантовых коммуникаций передаваемые данные защищены благодаря применению законов квантовой механики, квантовых систем криптографии и квантовых вычислений. Безопасность передачи данных реализуется с помощью алгоритмов квантового распределения ключей (КРК, quantum key distribution - QKD), используются волоконно -оптические системы передачи квантовых состояний фотонов. Квантовые сети развиваются после успешных экспериментов по квантовой телепортации \ Квантовая криптография - на стадии коммерциализации, приложения: безопасность связи.
В квантовых технологиях, системах и устройствах используются принципы квантовой механики: 1) кванто-ванность, дискретность уровней энергии, квантовый эффект Холла; 2) квантовая когерентная суперпозиция альтернативных чистых состояний систем; 3) квантовая запутанность состояний двух и больше объектов; 4) квантовое тунне-лирование; 5) квантовый параллелизм, позволяющий квантовым компьютерам превзойти классические по производительности; 6) принцип неопределенности Гейзенберга. Реализации: квантовые коммуникации, квантовые сети, квантовая криптография, квантовое распределение ключей, квантовые алгоритмы, квантовая телепортация, квантовый Интернет, квантовая телефония, квантовые вычисления, квантовые компьютеры, квантовые радары, квантовые изображения, квантовая визуализация, квантовая микроскопия, квантовые сенсоры, квантовая метрология.
Квантовая информатика (quantum information science) возникла в 1990-х гг. на стыке квантовой механики, теории алгоритмов2 и теории информации, изучает принципы управления динамикой квантовых систем. Приложения квантовой информатики: квантовая криптография, технологии запутанных состояний, компьютерное моделирование систем частиц.
Квантовые компьютеры (квантовые виртуальные машины). Модели квантовых систем применяются:
- в квантовой криптографии: квантовом распределении ключей, позиционной квантовой криптографии, недоверчивой квантовой криптографии, квантовой криптографии вне зависимости от устройства, квантовом обязательстве, моделях ограниченного и зашумленного квантового хранилища;
- постквантовая криптография на основе хеш -функций, кодов исправления ошибок, решеток, многомерных квадратичных систем, шифрования с секретным ключом и на изогениях суперсингулярных эллиптических кривых;
- в неструктурированном поиске: алгоритмах Шора, Гровера, Бернштейна - Вазирани), К. Залки - С. Визнера, Дойча - Йожи, Саймона, квантового счета, оценки фазы, квантовом преобразовании Фурье, квантовом сверхплотном кодировании;
1 Bennett C.H., Brassard G., Crepeau C., Jozsa R., Peres A., Wootters W.K. Teleporting an unknown quantum state via dual classical and Einstein-Podolsky-Rosen channels // Physical Review Letters. 1993. - Vol. 70. - P. 1895-1899. - https://journals.aps.org/prl/abstract/ 10.1103/Phy sRevLett .70.1895
2 Shor P.W. Algorithms for quantum computation: discrete logarithms and factoring // Proceedings 35th Annual Symposium on Foundations of Computer Science, Santa Fe, NM, USA, 20-22 Nov. 1994 // IEEE Computer Society Press. 1994. - P. 124-134. -https://ieeexplore.ieee.org/document/365700
- в моделировании квантовых систем: в имитаторах захваченных ионов, ультрахолодных симуляторах атомов, квантовых симуляторах с использованием сверхпроводящих кубитов, адиабатическом квантовом вычислении на основе квантового отжига, гамиль тоновом моделировании;
- в адиабатической оптимизации;
- в искусственном интеллекте (ИИ), квантовом машинном обучении: моделировании линейной алгебры с квантовыми амплитудами, алгоритмах квантового машинного обучения на основе поиска Гровера, квантово-усиленном обучении с подкреплением, квантовых методах отбора проб, скрытых квантовых марковских моделях, в полностью квантовом машинном обучении, квантовых алгоритмах для линейных систем уравнений, в дифференцируемом пр о-граммировании, квантовой томографии, квантовых нейронных сетях;
- в квантовом считывании (проверке подлинности объектов) физических неклонируемых функций: квантовой аутентификации сообщений и объектов, квантовых цифровых подписях, шифровании с открытым ключом, квантовом снятии отпечатков пальцев, квантовых односторонних функциях,
- в квантовой визуализации: фантомном изображении, квантовом зондировании (лидарах), квантовой литогр афии;
- в квантовой оптике: в источниках одиночных фотонов на квантовых точках, квантовой метрологии, квантовых радарах, квантовых усилителях, квантовой границе Крамера - Рао, квантовой информации Фишера, квантовом шуме, квантовом отражении, квантовом стохастическом исчислении;
- в моделировании молекулярных взаимодействий и химических реакций;
- в квантовых алгоритмах для вычислительной биологии.
Языки квантового программирования позволяют выражать квантовые алгоритмы с использованием высокоуровневых конструкций (по годам):
Quantum pseudocode (Quantum Random Access Machine - QRAM; E. Knil, Los Alamos National Laboratory, США, 1996 г. - https://www.osti.gov/biblio/366453);
QCL (Quantum Computation Language; B. Oemer, Венский технический университет, 2002 г. - https://arxiv.org/ pdf/quant-ph/0211100.pdf);
Q language (A. Whitney, компания Kx Systems, 2003 г. - https://code.kxco m/q/);
Quantum lambda calculi (A. Tonder, Брауновский университет, США, 2003 г. - https://arxiv.org/abs/quant-ph/ 0307150);
QPL (Quantum Physics and Logic; P. Selinger, Университет Оттавы, 2004 г. -https://link.springer.com/chapter/ 10.1007%2F978-3-540-24754-8_1);
cQPL (P. Selinger, 2004 г. - https://www.cambridge.org/core/jourQals/mathematical-structures-iQ-computer-science/ article/abs/towards-a-quantum-programming-language/54D5BCF28724CA6BE38F98DC4B6803DF);
QML (Qt Meta Language, Qt Modeling Language; T. Altenkirch и J. Gtattage, Университет Ноттингем, 2005 г. -https ://ieeexp lore.ieee.org/abstract/document/1509229);
qGCL (Quantum Guarded Command Language; P. Pavan, L. Larcher, Università di Modena e Reggio Emilia; M. Cuozzo, P. Zuliani, A. Conte, STMicroelectronics, Италия, 2006 г. - https://dl.acm.org/doi/10.1109/TCAD.2003.814952);
Quipper (версия 0.9.0.0; A.S. Green, N.J. Ross, P. Selinger, Dalhousie University, Канада; P.L.F. Lumsdaine, Институт перспективных исследований, Принстон, 2013 г. - https://dl.acm.org/doi/abs/10.1145/2491956.2462177);
LIQUi|> (Language-Integrated Quantum Operations; Microsoft Research, 2016 г. -https://www.microsoft.com/en-us/research/project/language-integrated-quantum-operations-liqui/);
QMASM (Quantum Macro Assembler; S. Pakin, Los Alamos National Laboratory, 2016 г. - https://ieeexplore.ieee.org/ document/7761637);
Q# (Q Sharp как часть Quantum Development Kit; Microsoft, 2017 г. - https://docs.microsoft.com/en-us/azure/quan tum/user-guide/);
QPanda2 (компания HeFei Origin Quantum Computing Technology, Китай, 2017 г. - http://www.originqc.com.cn/ QPanda/download.html);
Qiskit (IBM Research, 2017 г. - https://qiskit.org/);
Silq (B. Bichsel, M. Baader, T. Gehr, M. Vechev, компания ETH Zürich, Швейцария, 2020 г. - https://dl.acm.org/doi/ 10.1145/3385412.3386007).
Квантовые процессоры основаны на схгмах и квантовом отжиге.
Технологии квантового компьютера:
- ионы в вакуумных ловушках (атомы в оптических ловушках; разработали П. Цоллер и Х.И. Сирак в 1994 г., Нобелевская премия 2009 г. );
- оптические технологии: использование и детектирование генерации квантовых состояний света;
- сверхпроводящие элементы: переходы Джозефсона, сверхпроводящий квантовый интерферометр (СКВИДы -SQUID, superconducting quantum interference device);
- смешанные технологии: использование приготовленных запутанных состояний фотонов для управления атомными ансамблями и для управления вычислительными сетями;
- твердотельные квантовые точки на полупроводниках;
Модели квантовых компьютеров:
- адиабатический квантовый компьютер на основе квантового отжига: вычисление разлагается на преобразование начального гамильтониана в конечный гамильтониан, и его состояния содержат решение;
- массив квантовых вентилей: вычисление разложено на последовательность квантовых вентилей по несколько кубитов;
- односторонний квантовый компьютер: вычисление разложено на последовательность однокубитных измерений запутанного начального состояния или состояния кластера;
- топологический квантовый компьютер: вычисление разложено на сплетение энионов в двумерной решетке.
Реализации квантовых компьютеров:
- на воздействии лазерного излучения на квантовые ямы и квантовые точки при комнатной температуре;
- на захваченных ионах: кубиты реализованы внутренними состояниями захваченных ионов;
- на инкапсулированных в углеродные оболочки металлических наночастицах (ИМНЧ) (http://irbiscorp.spsl. nsc.ru/fulltext/ippu/ectrudy/446.pdf);
- на квантовой электродинамике резонатора: кубиты заданы состояниями захваченных атомов, связанных с высокоточными резонаторами;
- на квантовых проводах: кубиты реализованы парой квантовых проводов, соединенных квантовыми точечными контактами;
- на квантовых точках (квантовый компьютер Д. Лосса - Д.П. Ди Винченцо, 1997 г.): спиновые кубиты определены спиновыми состояниями захваченных электронов;
- на линейных оптических элементах: кубиты заданы обработкой состояний мод света с помощью линейных элементов (зеркал, светоделителей, фазовращателей);
- на молекулярных магнитах: кубиты определены спиновыми состояниями;
- на нейтральных атомах в оптических решетках: кубиты реализованы внутренними состояниями нейтральных атомов в оптической решетке;
- на нелинейно-оптических квантовых компьютерах: кубиты реализованы при обработке состояний разных мод света с помощью линейных и нелинейных элементов;
- на неорганических кристаллах, легированных ионами редкоземельных металлов (иттербия, тулия): кубиты заданы электронными состояниями примесей в оптических волокнах;
- на основе алмаза: кубиты заданы электронными или ядерными спинами центров азотных вакансий в алмазе и взаимодействиями между резонаторами в оптических резонансных полостях в волноводах с алмазом (https://nplus1.ru/ news/2016/10/15/rqc-diamond-p latform);
- на основе конденсата Бозе - Эйнштейна;
- на основе электронного спинового резонанса (электронного парамагнитного резонанса - ЭПР, открытого Е.К. Завойским в 1944 г., Казанский государственный университет) фуллеренов: кубиты на электронных спинах атомов или молекул в фуллеренах;
- на основе ядерного магнитного резонанса (ЯМР) молекул в растворах, где кубиты созданы ядерными спинами в растворенных молекулах и исследуются с помощью радиоволн;
- на пространственно-ориентированных положениях групп электронов в квантовых точках: кубиты заданы положениями электронов в двойных квантовых точках;
- на сверхпроводящих электронных схемах (переходах Джозефсона): кубиты реализованы состояниями малых сверхпроводящих цепей;
- на твердотельных ядерных магнито-резонансных (ЯМР) ансамблевых квантовых компьютерах Б. Кейна (1998 г.): кубиты реализованы ядерными спиновыми состояниями доноров фосфора в кремнии;
- на транзисторах с захватом положительных дырок с помощью электростатических ловушек;
- на электронах вблизи границы жидкого гелия: кубиты - спины электронов.
Протоколы квантового распределения ключей (по годам):
- протокол неявной передачи (oblivious transfer - ОТ; M.O. Rabin, Гарвардский университет, 1981 г., -https ://eprint.iacr.org/2005/187.pdf);
- BB84 (С.Н. Bennett, IBM Research; G. Brassard, Монреальский университет, 1984 г. - https://researcher.watson. ibm.com/researcher/files/us-bennetc/BB84highest.pdf);
- E91 (A.K. Ekert, Оксфордский университет, 1991 г. - https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett. 67.661);
- протокол квантового распределения ключей с использованием ЭПР (A. Einstein, B. Podolsky, N. Rosen, EPR -protocol; A.K. Ekert, 1991 г. - https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.67.661);
- B92 (C.H. Bennett, 1992 г. - https://science.sciencemag.org/content/257/5071/752);
- BBM92 (C.H. Bennett; G. Brassard; N.D. Mermin, Гарвардский университет, 1992 г. - https://journals.aps.org/ prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.68.557);
- протокол Гольденберга - Вайдмана (L. Goldenberg, L. Vaidman, Тель-Авивский университет, 1995 г. - https:// journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.75.1239; http://philsci-archive.pitt.edu/564/1/paradoxpdf);
- MSZ96 (Y. Mu, J Seberry, Y. Zheng, Университет Вуллонгонг, Австралия, 1996 г. - https://www.sciencedirect. com/science/article/abs/pii/0030401895006885?via% 3Dihub#);
- протокол с 6 состояниями (6-state protocol; H. Bechmann-Pasquinucci, N. Gisin, Университет Женевы, 1999 г. -https:// arxiv.org/pdf/ quant-ph/9807041 .pdf);
- дифференциальный фазовый сдвиг (DPS - differential-phase-shift; K. Inoue, E. Waks, Y. Yamamoto, Стэнфорд-ский университет, японская корпорация NTT, 2002 г. - https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett. 89.037902);
- протокол состояния приманки (decoy state QKD protocol; W.Y. Hwang, Северо -Западный университет, Чикаго, 2003 г. - https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.91.057901);
- COW (coherent one-way; N. Gis in, Университет Женевы, 2004 г. - https://arxiv.org/pdf/quant-ph/0408095.pdf);
- ARG04 (A. Acin, N. Gis in, V. Scarani, Университет Женевы, 2004 г. - https://arxiv.org/abs/quant-ph/0302037);
- SARG04 (V. Scarani, A. Acín, N. Gisin, Университет Женевы; G. Ribordy, Id-Quantique, 2004 г. - https://journals. aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.92.057901);
- Lo05 (H.K. Lo, X. Ma, K. Chen, Университет Торонто, 2005 г. - https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/ PhysRevLett.94.230504; https://arxiv.org/pdf/quant-ph/0411004.pdf);
- протокол трехэтапного квантового шифрования (three-stage quantum cryptography protocol - Kak's three-stage protocol; S. Kak, Государственный университет Луизианы, 2006 г. - https://link.springer.com/article/10.1007/s10702-006-0520-9);
- KMB09 (MM. Khan, Университет Лидс, Великобритания; M. Murphy, Ульмский университет, Германия; A. Beige, Университет Лидс, 2009 г. - https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1367-2630/11/6/063043/meta);
- детектор-независимое КРК (measurement-device-independent QKD - MDI-QKD; H.K. Lo, B. Qi, Университет Торонто; M. Curty, Университет Виго, Испания; 2012 г. - https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett. 108.130503);
- HDQKD (high-dimensional QKD - многомерное КРК; J. Mower, Z. Zhang, P. Desjardins, C. Lee, J.H. Shapiro, D. Englund, Массачусетский технологический институт, Колумбийский университет, США, 2013 г. - https://journals. aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.87.062322).
Актуальность исследования. В 2020 г. число атак на российские информационные порталы органов власти и управления выросло в 3,5 раза. В 2013-2019 гг. уровень киберпреступности в РФ вырос в 20 раз. 15% преступлений в РФ совершается с помощью ИТ в киберпространстве. Развивается сотрудничество с подразделениями информацио н-ной преступности МВД РФ и ФСБ РФ. Развивается международное сотрудничество в борьбе с киберпреступностью: консультации с представителями правоохранительных органов Евросоюза и США, российско -французские встречи по противодействию киберпреступности (2019 г.). 23.11.2001 Советом Европы принята Конвенция о киберпреступности (Convention on cybercrime, ETS N 185, Будапешт, 23.11.2001, с изменениями от 28.01.2003)1. Разрабатывается инициированная РФ Конвенция ООН по противодействию киберпреступности. 29. 10.2018 Европейская комиссия начала программу Quantum Flagship с бюджетом 1 млрд. евро и 20 проектами в 4 областях: 1) квантовые коммуникации (проекты CiviQ, Quantum Internet Alliance, Qrange, UNIQORN); 2) квантовое моделирование (Qombs, PASQuanS); 3) квантовая метрология и сенсоры (iqClock, MetaboliQs, macQsimal, ASTERIQS); 4) квантовые вычисления (OpenSuperQ, AQTION), а также проекты фундаментальных исследований (2D-SIPC, S2QUIP, QMiCS, SQUARE, PhoG, PhoQuS, MicroQC)2. 30.07.2019 на 74 сессии Генеральной Ассамблеи ООН Генеральный секретарь ООН представил доклад «Противодействие использованию информационно -коммуникационных технологий в преступных целях»3.
Развитие квантовых коммуникаций в России
1 декабря 2016 в Послании к Федеральному Собранию Президент РФ предложил сосредоточиться на сквозных технологиях: цифровых, квантовых, робототехнике, нейротехнологиях, укреплять защиту от киберугроз. 24 апреля 2021 в Послании к ФС он отметил важность предложений РФ о международном диалоге в области кибербезопасности.
Национальная программа «Цифровая экономика РФ» принята в соответствии с Указом Президента РФ от 07.05.2018 № 204 «О национальных целях и стратегических задачах развития РФ на период до 2024 г.» и утверждена 24.12.2018 на заседании президиума Совета при Президенте РФ по стратегическому развитию и национальным проектам. 10 июля 2019 на церемонии обмена соглашениями между правительством и крупнейшими компаниями с госучастием Президент РФ призвал гарантировать технологический суверенитет РФ в развитии перспективных и прорывных высокотехнологичных технологий связи. Соглашения подписаны между правительством РФ и ОАО «РЖД» (направление «Квантовые коммуникации»), ГК «Ростех» («Новые поколения узкополосной беспроводной связи для Интернета вещей и связи ближнего и среднего радиусов действия», «Квантовые сенсоры», «Технологии распределенного реестра»), ПАО «Сбербанк» («Искусственный интеллект»), ГК «Росатом» («Квантовые вычисления» и «Технологии создания новых материалов и веществ»), а также трехстороннее соглашение с «Ростех» и ПАО «Ростелеком» по «Беспроводной связи нового поколения».
10 октября 2019 Правительственная комиссия по цифровому развитию утвердила ДК развития «Квантовые технологии», «Технологии беспроводной связи», «Компоненты робототехники и сенсорика», «Технологии виртуальной и дополненной реальностей», «Системы распределенного реестра», «Новые производственные технологии» 4, «Нейро-технологии и искусственный интеллект», и выделено 850 млрд. руб. на их реализацию. 19 ноября 2020 Правительственная комиссия по цифровому развитию утвердила ДК «Мобильные сети связи пятого поколения» и 10 декабря 2020 -План (ДК) реализации Концепции построения и развития узкополосных беспроводных сетей связи «Интернета вещей» до 2024 г. Пять ДК в ведении Министерства цифрового развития, связи и массовых коммуникаций: «Квантовые
Совет Европы. Конвенция о преступности в сфере компьютерной информации. -https://www.alppp.ru/law/pravosudie/46/konvencija-o-prestupnosti-v-sfere-kompyuternoj-informacii—185-rus--angl-.html
2 Quantum Flagship. - https://qt.eu/about-quantum-flagship/newsroom/flagship-kickoff-in-vienna/
3 Противодействие использованию информационно-коммуникационных технологий в преступных целях, ООН. -https://www.unodc.org/documents/Cybercrime/SG_report/V1908184_R.pdf
4 Документы: Направление «Цифровые технологии» / Министерство цифрового развития, связи и массовых коммуникаций РФ. - https://digital.gov.ru/ru/documents/?directions=878
коммуникации», «Квантовые вычисления», «Мобильные сети связи пятого поколения», «Интернет вещей», «Технологии распределенных реестров». Три ДК в ведении Министерства промышленности и торговли РФ: «Квантовые сенсоры», «Технологии распределенных реестров», «Технологии новых материалов и веществ». ГК софинансируют ДК: «РЖД» - 40% расходов по «Квантовым коммуникациям», «Росатом» - 50% расходов по «Квантовым вычислениям», «Ростелеком» и «Ростех» - 50% расходов по ДК 5G. Остальные 50-60% расходов - из бюджета РФ \
4 сентября 2020 ДК «Квантовые коммуникации» до 2024 г., разработанная «РЖД», одобрена Правительственной комиссией по цифровому развитию, использованию информационных технологий2. ДК включает 120 проектов технологий оптоволоконных, атмосферных и спутниковых квантовых коммуникаций, коммерческих квантовых сетей связи и оборудования, абонентских устройств, квантового Интернета вещей, рынка и экосистемы образования, науки и промышленности РФ.
На развитие квантовых коммуникаций РФ до конца 2021 г. требуется 25 млрд. руб.: 12,9 млрд. руб. - из бюджета РФ, 5,3 млрд. руб. - средства «РЖД», 6,5 млрд. руб. - внебюджетные инвестиции. Рынок квантовых коммуникаций к 2024 г. вырастет до 55 млрд. руб. - 8% от мирового, сформируется квантовая сеть магистральных оптоволоконных каналов 10 тыс. км для 1 тыс. абонентов3. Три варианта реализации квантовых сетей: 1) по действующим оптоволоконным сетям связи; 2) по открытому пространству: по сетям сотовых операторов; 3) через спутниковую связь: обмен КРК между наземной станцией и орбитальным спутником.
Национальная квантовая сеть создается как часть Евразийского квантового пути, объединяющего РФ, Китай, Индию, Турцию, со сквозной передачей КРК. В основе построения национальной квантовой сети как части Евразийского квантового пути - проекты АО «СМАРТС»: «Создание автодорожных телекоммуникационных сетей», прокладка магистральных волоконно -оптических линий связи (ВОЛС) в обочину автомобильных дорог 150 тыс. км в 85 субъектах РФ (с 2007 г.); «Создание системы управления географически распределенными центрами обработки данных» (с 2017 г.) для контроля доступа к информационным каналам 4.
31 июля 2020 на заседании президиума Правительственной комиссии по цифровому развитию, использованию ИТ утверждена ДК «Квантовые вычисления», разработанная ГК «Росатом» с финансово -экономическим обоснованием. Цели ДК «Квантовые вычисления»: создание к 2024 г. российского 100-кубитного квантового компьютера; решение инженерных задач квантовых вычислений, формирование экосистемы развития: инфраструктуры, образовательных программ, консорциумов с промышленными компаниями. ГК создала Национальную квантовую лабораторию -консорциум с участием НИУ ВШЭ, НИТУ «МИСиС», МФТИ, Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, Российского квантового центра и фонда «Сколково». В МГУ им. М.В. Ломоносова, МИФИ и МФТИ организованы магистерские и аспирантские программы; в 2020 г. привлечены 500 старшеклассников. Заключены контракты с ПАО «Ростелеком» и ПАО «Сбербанк».
Разработки квантовых сетей ведут следующие организации:
Факультет физической и квантовой электроники МФТИ создан в 1964 г.: разработки квантовых компьютеров, функциональной электроники, нанотехнологий (выпускник факультета - нобелевский лауреат К.С. Новоселов за исследование графена), нанометрологии, нейроморфных структур, микроэлектроники, твердотельной и вакуумной СВЧ -электроники5.
Центр квантовых технологий (ЦКТ) МГУ им. М.В. Ломоносова создан в 2018 г. в рамках Национальной технологической инициативы (НТИ)6: разработки квантовых технологий, волоконной и атмосферной квантовой криптографии, нанофотоники, квантовой оптики, нелинейной оптики, криоэлектроники, физики холодных атомов; систем квантовой криптографии, адаптированных к волоконным линиям связи, систем оптической квантовой коммуникации по открытому пространству и оптических квантовых вычислительных систем, образовательных программ и связей с промышленными компаниями. В Консорциум МГУ входят Институт физики твердого тела РАН (ИФТТ РАН), Физико -технологический институт им. К.А. Валиева РАН (ФТИ РАН), Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН, Санкт-Петербургский государственный университет, МИФИ, МГТУ им. Н.Э. Баумана, НИУ «Московский институт электронной техники», Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, Казанский научный центр РАН, Всероссийский научно -исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова госкорпорации «Росатом», Центр компетенций Национальной технологической инициативы по направлению «Квантовые коммуникации» на базе НИТУ «МИСиС», АО «Информационные Технологии и Коммуникационные Системы», «Учебный центр «ИнфоТеКС», ООО НТП «Крипто-софт» (г. Пенза), межрегиональная общественная организация «Ассоциация защиты информации», компания «Инноп-рактика» (Факультет фундаментальной медицины МГУ, объединяет Центр национального интеллектуального резерва
1 «Сквозные технологии» дали новые всходы. - https://www.comnews.ru/content/213111/2021-02-15/2021-w07/skvoznye-tekhnologii-dali-novy e-vskhody ?utm_source=telegram&utm_medium= general&utm_campaign= general
2 Паспорт Дорожной карты развития высокотехнологичной области «Квантовые коммуникации» на период до 2024 г. -https://digital.ac.gov.ru/upload/iblock/.pdf
3
Квантовые коммуникации в России будут прокладывать РЖД и «Ростелеком». -https://eadaily.com/ru/news/2020/01/13/kvantovye-kommunikacii-v-rossii-budut-prokladyvat-rzhd-i-rostelekom
4 От однофотонных детекторов к национальным квантовым сетям: как развиваются квантовые технологии в России? -http://1234g.ru/novosti/kvantovye-tekhnologii-v-rossii
5 Факультет физической и квантовой электроники МФТИ. - https://mipt.ru/dpqe/
6 Центр квантовых технологий МГУ им. М.В. Ломоносова. - https://quantum.msu.ru/ru/about
МГУ и Фонд поддержки научно-проектной деятельности молодых ученых «Национальное интеллектуальное развитие»), Саратовский НИГУ им. Н.Г. Чернышевского, технопарк «Кванториум» (г. Саратов).
29 мая 2019 ЦКТ МГУ и Центр научных исследований и перспективных разработок компании «Инфотекс» провели 1 сеанс голосовой связи, защищенной КРК, между офисами ЦКТ МГУ и «Инфотекса», с помощью 1 российского квантового телефона ViPNet QSS Phone, входящего в разработанный за 3 года комплекс защищенной телефонии ViPNet Quantum Security System (ViPNet QSS)1.
Математический институт им. В.А. Стеклова РАН: Отдел математических методов квантовых технологий МИАН создан в 2018 г. на основе Лаборатории математических методов квантовых технологий (с 2016 г.): разработки математических методов квантовых технологий, квантовой криптографии, квантовых вычислений, квантовой информатики, открытых квантовых систем, многочастичных квантовых систем, управления квантовыми системами, квантовой сложности, квантовой томографии, квантовой телепортации, адиабатичеких квантовых вычислений, неравновесной квантовой динамики, голографии и квантовой информации; по проектам Российского научного фонда (РНФ): «Математические методы для задач квантовых технологий и динамика открытых квантовых систем» (2017-2021 гг.), «Использование псевдослучайных генераторов в квантовой криптографии» (2018-2019 гг.), «Влияние взаимодействия с окружением на информационные свойства квантовых каналов передачи данных» (2020-2022 гг.)2;
ПАО «Ростелеком» развивает квантовые технологии связи, ОАО «РЖД» - разработки квантовых коммуникаций, ГК «Росатом» - квантовых вычислений, ГК «Ростех» - квантовых сенсоров. В декабре 2018 г. в проекте «Крип-тошифрование и квантовая защита данных» завершен 1 этап тестирования комплексов передачи данных с гибридной квантово-классической защитой, подтверждена возможность использования КРК в сетях связи «Ростелекома»; в январе 2019 г. - 2 этап испытаний квантовой защиты передачи данных. В мае 2019 г. «Ростелеком» и «Криптософт» испытали 1 облачный сервис защиты передачи данных с КРК; «Ростелеком» и «Инфотекс» - защиту передачи данных с КРК на ВОЛС 58 км между дата-центром М10 «Ростелекома» (Москва) и Центром фотоники и квантовых материалов (создан в 2015 г.3) Сколковского университета науки и технологий. В сентябре 2020 г. «Ростелеком» и «Росатом» создали ВОЛС с КРК между двумя офисами «Росатома» в Москве, использовано оборудование КРК ООО «КуРэйт» (QRate) и шифраторы 10 G ООО «Код Безопасности» при участии АНО «Консорциум «Телекоммуникационные те х-нологии» и ПАО «Микрон». Сервис КРК обеспечивает ключами шифрования, средствами криптографической защиты информации (СКЗИ) «Ростелеком», промышленные предприятия и банки.
ОАО «РЖД» в августе 2019 г. создало Департамент квантовых коммуникаций, отвечает за реализацию ДК «Квантовые коммуникации», развивает магистральные и городские сети квантовых коммуникаций в РФ, квантовые сети на тысячи километров с промежуточными доверенными узлами через 80-120 км, на труднодоступных участках для связи двух наземных объектов - спутниковые технологии с КРК4.
Российский квантовый центр (РКЦ, основан в 2011 г. в Инновационном центре «Сколково») разрабатывает системы квантовой связи для банков, госорганов, телекоммуникационной сферы (твердотельные фотоумножители, сверхчувствительные сенсоры, фемтосекундные лазеры) и медицины (сверхчувствительный магнитный кардиограф)5, в 2015 г. создал группу «Квантовые коммуникации», с Лабораторией сверхпроводящих метаматериалов МИСиС впервые в РФ произвел измерение кубита (2013 г.), с МФТИ, вместе с МИСиС и ИФТТ РАН создал 1 в РФ сверхпроводящий кубит (2015 г.), 1 в мире квантовый блокчейн (2017 г.), сотрудничает с компаниями «КуРэйт» (создана в 2015 г.: разработана программа обработки КРК, испытана между офисами АО «Газпромбанк», в ПАО «Сбербанк»; производит установки квантовой криптографии: детектор одиночных фотонов, квантовый генератор случайных чисел, твердотельный фотоумножитель, фемтосекундный лазер с диодной накачкой6), «С-Терра СиЭсПи» (S-Terra CSP, LLC; основана в 2003 г. для разработок и производства средств сетевой информационной безопасности7), «КриптоПро» (создана в 2000 г. для разработок средств криптографической защиты информации и инфраструктуры открытых ключей8), ООО «Код Безопасности», ЗАО «Сверхпроводниковые нанотехнологии» (SCONTEL, основано в 2004 г. на основе Проблемной радиофизической лаборатории Московского педагогического государственного университета, имеет представителей в Китае, Японии и США 9). В 2017 г. РКЦ создал самый мощный в мире квантовый компьютер с инвестициями Google, IBM, Microsoft, Alibaba.
С 2020 г. на базовой кафедре РКЦ в МФТИ организованы программы бакалавриата, магистратуры и аспирантуры, в МИСиС - магистерская программа «Квантовые технологии материалов и устройств» и программа аспирантуры «Физика конденсированного состояния и квантовые технологии», созданы устройства для квантовой криптографии, сверхпроводниковой и полупроводниковой космической электроники, квантового моделирования свойств материалов.
Weissberger A. Quantum Telephony Network deployed at Moscow State University using Vipnet QSS. -https://techblog.comsoc.org/2021/01/12/quantum-telephony-network-deployed-at-moscow-state-university-using-vipnet-qss/
2
Отдел математических методов квантовых технологий МИАН. - http://www.mi-ras.ru/indexphp?c=show_dep&id=51 Центр фотоники и квантовых материалов Сколтеха. - https://crei.skoltech.ru/cpqm/ru/
4 Квантовые коммуникации - это новый уровень противостояния угрозам в IT-системе РЖД. - https://www.rzd-partner.ru/zhd-transport/interview/kvantovye-kommunikatsii-eto-novyy-uroven-protivostoyaniya-ugrozam-v-it-sisteme-rzhd/
5 Российский квантовый центр. - https://rqc.ru/about
6 QRate. - https://goqrate.com/ru#about
7 S-Terra. - https://www.s-terra.ru/company/
8 КриптоПро. - https://www.cryptopro.ru/about
9 SCONTEL. - https://www.scontel.ru/ru/company/
РКЦ, Российская венчурная компания (РВК), МФТИ и Центр компетенций НТИ «Квантовые коммуникации» НИТУ «МИСиС» реализуют программу «Управление проектами в сфере квантовых коммуникаций»1.
Московский институт электроники и математики им. А.Н. Тихонова (создан в 1993 г. на базе Московского института электронного машиностроения, основанного в 1962 г.; в 2011 г. включен в НИУ ВШЭ): кафедра квантовой оптики и телекоммуникаций ЗАО «Сконтел» создана в 2013 г., разработки сверхпроводниковых тонкопленочных микросхем, приемников на тонкопленочных сверхпроводниковых наноструктурах, магистерская программа «Нано-электроника и квантовые технологии» 2.
Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики (Университет ИТМО): создан защищенный оптический маршрутизатор (SCWQC - Subcarrier wave quantum communication system) моделированного излучения с КРК на боковых частотах, внедрен в квантовых сетях Университета ИТМО (2014 г.), в Казани с телеком -оператором (2016 г.) и Самаре с ИТ-компанией (2021 г.), международные образовательные программы «Квантовые коммуникации и фемтотехнологии» (в сотрудничестве с Университетом Рочестера, США), сотрудничество с ООО «Квантовые Коммуникации», компанией «СМАРТС», ООО «Кванттелеком» (Санкт-Петербург), ООО НПП «Лазерные технологии», ООО «Лазерный центр», ООО «Аметист Лазер», ОАО «ГОИ им. С.И. Вавилова»3.
Казанский квантовый центр («КАИ-КВАНТ») Казанского НИТУ им. А.Н. Туполева - КАИ (КНИТУ-КАИ) основан в 2014 г.: разработки квантовых технологий в лабораториях квантовой памяти и квантовых коммуникаций, квантовых методов защиты передачи и хранения информации, волоконных и интегрально оптических однофотонных технологий, оптических методов передачи КРК, городской квантовой сети (квантовый Интернет), квантовых сетей между городами Республики Татарстан, квантовой сети на большие расстояния, квантовых повторителей на основе оптической квантовой памяти, квантовых сетей между городами РФ, квантовых вычислителей и переключателей, о п-тических квантовых компьютеров для квантовых сетей. Международное сотрудничество с коллегами из Франции, Китая, Южной Кореи, Саудовской Аравии, Шотландии, Канады, Индии. Сотрудничество с научными организациями РФ: Университетом ИТМО (разработки оптических квантовых сетей), МГУ им. М.В. Ломоносова (нанооптическая квантовая память, с 2014 г.), Российским квантовым центром (оптоволоконные методы генерации световых полей, с 2014 г.), Физико -технологическим институтом РАН им. К.А. Валиева (основан в 1988 г.; Лаборатория физических основ квантовых вычислений: разработка квантовых компьютеров, семинары «Квантовые компьютеры»»4, сотрудничество в области оптических квантовых измерений с 2014 г.), Казанским физико-техническим институтом им. Е.К. За-войского Казанского научного центра РАН, Казанским федеральным университетом (теория оптических спектров неорганических кристаллов для квантовой памяти), Институтом перспективных исследований АН РТ (оптический квантовый процессинг, квантовый компьютер, с 2010 г.); КНИТУ-КАИ (новые методы обработки сигналов)5.
Фонд перспективных исследований с 2016 г. реализует проект «Технологии обработки информации на основе сверхпроводящих кубитов» совместно с ВНИИА им. Н.Л. Духова, ИФТТ РАН, РКЦ, МФТИ, МИСиС, МГТУ им. Н.Э. Баумана, Новосибирским государственным техническим университетом при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ и ГК «Росатом»6.
Национальный исследовательский Томский государственный университет: проект «Взаимодействие закрученного света с отдельными атомами и атомными ансамблями» при финансировании РНФ, 2021-2023 гг.7.
В заседании Научного совета при президиуме РАН «Квантовые технологии» 19 ноября 2020 по теме «Фундаментальные проблемы квантовых коммуникаций» с участием ученых 40 научных организаций РАН и других учре ж-дений председатель Научного совета академик-секретарь Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН определил направления программ развития квантовых сетей в РФ. Представлены проекты: 1) ФИЦ «Казанский научный центр РАН»: «Квантовые повторители и квантовая память»; 2) ИФТТ РАН: «Каналы у течки в квантовой криптографии»; 3) Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН и ОАО «РЖД»: «Технологии квантовых коммуникаций»; 4) МГУ им. М.В. Ломоносова: «Постквантовая криптография» и «Атмосферные и спутниковые каналы квантовых коммуникаций»; 5) МИСиС: «Ограничения скорости квантового распределения ключей»; 6) Университет ИТМО: «Компонентная база для волоконно -оптических квантовых коммуникаций»; 7) АО «ИнфоТеКС»: «Доверенные узлы в сетях квантовых коммуникаций». Техническим комитетом «Криптографическая защита информации» создана рабочая группа по разработке постквантовых криптографических механизмов, разработке и замещению импортных комплектующих в устройствах квантовой коммуникации: блок генерации излучения, блок регистрации излу -чения, блок кодирования. Разрабатываются базовые элементы (однофотонные источники, источники перепутанных
1 Национальная технологическая инициатива. - https://ntinews.ru/news/tsifrovaya-ekonomika/rossiyskiy-kvantovyy-tsentr-otkiyl-dveri-dly a-studentov.html
Базовая кафедра квантовой оптики и телекоммуникаций НИУ ВШЭ. - https://miem.hse.ru/edu/ee/scontel/
3
Квантовые коммуникации и фемтотехнологии / Университет ИТМО. - https://itmo.m/ru/viewjep/74/kvantovye_kommumka cii_i_femtotehnologii.htm
4 Семинары «Квантовые компьютеры» / ФТИАН им. К.А. Валиева РАН. - http ://www.ftian.ru/seminars/?type=qi
5 Казанский квантовый центр. - https://kai.ru/quantumcenter
6 Технологии обработки информации на основе сверхпроводящих кубитов / Фонд перспективных исследований. -https://fpi.gov.ru/projects/informatsionnye-issledovaniya/liman/
7
РНФ: Проект «Взаимодействие закрученного света с отдельными атомами и атомными ансамблями». - https://rscf.ru/ p roj ect/21-42-04412/
фотонов, детекторы с разрешением числа фотонов, однофотонные преобразователи частоты, квантовая память), системы на их основе со скоростью КРК выше предела скорости прямой передачи1.
Развитие квантовых коммуникаций в США
С 2002 г. развивается квантовая сеть с КРК Управления перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (Defense Advanced Research Projects Agency - DARPA).
13 декабря 2018 Закон о Национальной квантовой инициативе (National Quantum Initiative Act2) с бюджетом 1,2 млрд. долл. принят Конгрессом и 21 декабря 2018 подписан президентом США. С августа 2020 г. Национальный научный фонд (National Science Foundation) и Министерство энергетики США (U.S. Department of Energy) инвестируют 1 млрд. долл. на 2021-2025 гг. в 5 центров квантовой информатики (National Quantum Information Science Research Centers).
Компании Google, IBM, Intel, Microsoft, финансируют исследования. IBM на 2014-2018 гг. инвестировала 3 млрд. долл. в разработку квантовых компьютеров. 17 мая 2017 IBM объявила о разработке 16-кубитного процессора, 9 января 2018 Intel (Intel Core Quantum) - о разработке 49-кубитного квантового компьютера, 22 июля 2019 Google -53-кубитного процессора «Sycamore»3, 19 июня 2020 Honeywell - 64-кубитного компьютера4.
Развитие квантовык коммуникаций в Китае
Проекты по квантовой информатике Министерства науки и технологий (Ministry of Science and Technology -МОСТ), Национального фонда естественных наук Китая (National Natural Science Foundation of China - NSFC) и Китайской академии наук (Chinese Academy of Sciences - CAS): 1) 1998-2006 гг.: финансирование NSFC 10 млн. долл.; 2) XI 5-летний план 2006-2010 гг.: квантовый контроль, 150 млн. долл.; обнаружение и взаимодействие квантовых состояний, NSFC; квантовая связь на большие расстояния и квантовые эксперименты в космосе, CAS; 3) XII 5 -летний план 2011-2015 гг.: квантовый контроль, 490 млн. долл.; квантовая метрология и исследовательское оборудование, NSFC; квантовые эксперименты в космосе и когерентный контроль динамики квантовых систем, CAS; линии квантовой связи, Государственный комитет по делам развития и реформ (NDRC), CAS; 4) XIII 5-летний план 2016-2020 гг.: квантовый контроль и квантовая информация, 337 млн. долл.; 5) с 12 марта 2021: XIV 5 -летний план национального экономического и социального развития на 2021-2025 гг. и долгосрочные цели до 2035 г.5.
15 августа 2016 г. запущен 1 в мире спутник квантовой связи «Мо -цзы» (Quantum science satellite Mozi, солнечно-синхронная орбита, 100 млн. долл.): телепортация квантовой информации на 1200 км. С августа 2016 г. работает сеть между банками в Пекине и Шанхае 2000 км с 32 узлами, с 29 сентября 2017 - трансконтинентальная квантовая спутниковая связь Пекин-Вена 7600 км через спутник «Мо -цзы» в сотрудничестве Китайской академии наук и Австрийской академии наук (Austrian Academy of Sciences).
В 2019 г. исследователи Нанкинского университета осуществили передачу запутанных фотонов между движущимися дронами как узлами мобильной квантовой сети. В январе 2020 г. компания Shenzhen SpinQ Technology выпустила 1 в мире настольный квантовый компьютер на основе технологии ядерного магнитного резонанса.
07 января 2021 в Китае развернута 1 в мире квантовая сеть связи 4600 км 6 из 700 оптических сегментов и двух станций космической связи, подключено 150 банков.
Развитие квантовых коммуникаций в Японии
С 14 октября 2010 работает Токийская сеть КРК (Tokyo QKD Network), разработанная Национальным институтом информатики и коммуникационных технологий (National Institute of Informat ion and Communications Technology, NICT). Оборудование КРК разработали корпорации NEC (Nippon Electric Corporation), Toshiba, NTT (Nippon Telegraph and Telephone), институт NICT, Университет Gakushuin.
11 июля 2017 Япония объявила о демонстрации 1 в мире квантовой связи из космоса с микроспутника Socrates, запущенного в 2014 г.
18 декабря 2018 принята национальная программа квантовых исследований Moonshot Goal с этапами до 2030, 2040, 2050 гг. для создания квантового компьютера на 100 сверхпроводящих кубитах, выделено 100 млрд. иен (1 млрд. долл.)7.
1 Научный совет при президиуме РАН «Квантовые технологии». - http://www.ras.ru/news/shownews.aspx?id=989c167f-6ca0-436c-affa-379bdbb40bae
2
National Quantum Initiative Act. - https://www.congress.gov/bill/115th-congress/house-bill/6227
3
Arute F., Arya K., [...] Martinis JM. Quantum supremacy using a programmable superconducting processor. -https://www.nature.com/articles/s41586-019-1666-5
4 Hackett R. Honeywell claims to have created the world's most powerful quantum computer. -https://fortune.com/2020/06/18/honeywell-most-powerful-quantum-computer/
5 Outline of the People's Republic of China 14th Five-Year Plan for National Economic and Social Development and Long-Range Objectives for 2035. - https://cset.georgetown.edu/publication/china-14th-five-year-plan/
6 Johnston H. Quantum cryptography network spans 4600 km in China. - https://physicsworld.com/a/quantum-cryptography-network-spans-4600-km-in-china/
Moonshot Goal 6. Realization of a fault-tolerant universal quantum computer that will revolutionize economy, industry, and security by 2050. - https://www.jst.go.jp/moonshot/en/program/goal6/indexhtml
Отражение документов о квантовых сетях в БД научных публикаций Scopus
В базе данных Scopus1 (на 27.04.2021) о квантовых сетях отражено 329 648 документов за 1953-2021 гг.: 2021 г. -14 587, 2020 г. - 37 795, 2010 г. - 11 588, 1990 г. - 703, 1970 г. - 39, 1960 г. - 2, 1953 г. - 1 документ. По странам: 1 место - Китай (85 317 документов); 2 - США (76 860); 5 - Япония (21 786); 13 - РФ (9944). По отраслям знаний: физика (136 020 документов), ИТ (57 979). По типам документов: 240 034 статьи в журналах, 47 710 докладов конференций, 3839 монографий. По типам источников: 268 316 статей в журналах, 40 719 материалов конференций, 11 132 монографий. Среди российских авторов: А.И. Иванов (181 документ, Пензенский научно -исследовательский электротехнический институт); В.Ю. Гаврилов (172, Самарский государственный медицинский университет). По языкам : 1 место -английский (322 835 документов), 2 - китайский (5665), 3 - русский (271), 4 - японский (186).
По источникам : Proceedings of SPIE (Общество оптики и фотоники - Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers, США, 6392 документов ); Physical Review Letters (3431); IEEE ( Институт инженеров электротехники и электроники - Institute of Electrical and Electronics Engineers, США) Photonics Technology Letters (1630); Optics Communications (1424); Quantum Information Processing (936); Optical and Quantum Electronics (912); IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics (728); IEEE Journal of Quantum Electronics (726); IEEE Photonics Journal (577); IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics (383).
По организациям: Национальный научный фонд Китая (42 222); Китайская академия наук (11 499); Японское общество развития науки (JSPS, 6218); Министерство энергетики США (5562); Токийский университет (2919); Российская академия наук (2748); Российский фонд фундаментальных исследований (2062); японская корпорация Nippon Telegraph and Telephone (1935); Японское агентство науки и технологий (JST, 1615); МГУ им. М.В. Ломоносова (1440); Национальный институт стандартов и технологий США (NIST, 1293); Российский научный фонд (1134); Институт инженеров электротехники и электроники США (IEEE, 1073); Национальный институт информационных и коммуникационных технологий (NICT, Япония, 960); Министерство науки и высшего образования РФ (693).
Заключение
РФ, как другие технологические лидеры, развивает квантовые сети, коммуникации и технологии квантового распределения ключей. В РФ реализован проект квантовой телефонии, развивается межконтинентальная сеть квантовой связи протяженностью 10 тыс. км специалистами РФ, Китая, Индии и ЮАР в рамках проекта БРИКС по квантовым коммуникациям при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований.
Китай - лидер по масштабам внедрения технологий квантовых сетей связи.
США делают ставку на разработку постквантовой криптографии. Национальный институт стандартов и технологий США (National Institute of Standards and Technology, NIST) ведет стандартизацию постквантовых алгоритмов.
В Японии реализуются Токийская сеть КРК, сети квантовой космической связи, национальные программы развития квантовых сетей связи в сотрудничестве государственных и промышленных организаций.
В РФ в реализации национальных стратегических программ и проектов разработок квантовых сетей связи расширяется сотрудничество научных организаций, потребителей (заказчиков, компаний) и поддерживающих госорганов, развивается международное сотрудничество в рамках БРИКС, ООН и других международных организаций.
1 https://www.scopus.com/
