В России планируется за пять лет выделить 19,5 млрд руб. на развитие технологий квантовых коммуникаций. В том числе 5,3 млрд руб. из этой суммы выделит госкорпорация РЖД, которая будет главной по развитию данной технологии.
Дорожная карта развития квантовых коммуникаций
В распоряжении CNews оказался проект дорожной карты по развитию технологий квантовых коммуникаций, подготовленный госкорпорацией «Российские железные дороги» (РЖД) в рамках соответствующего контракта с Правительством России.
В 2019 г. в рамках реализации мероприятий федерального проекта «Цифровые технологии» нацпрограммы «Цифровая экономика», национальный технический университет МИСиС подготовил дорожную карту по развитию квантовых технологий в России. В ней было выделено три субтехнологии: квантовые вычисления, квантовые коммуникации и квантовая сенсорика.
Для чего нужны квантовые коммуникации
Сейчас по каждой из обозначенных субтехнологий госкорпорации готовят отдельные дорожные карты. Необходимость развития квантовых коммуникаций вызвана перспективой появления достаточно мощного квантового компьютера, который представляет собой угрозу для современной криптографии.
Схема потенциальной квантовой атаки может выглядеть следующим образом: злоумышленник сегодня сохраняет трафик, зашифрованный традиционными методами криптографии, а в будущем, при появлении у него доступа к квантовому компьютеру, расшифровывает эти данные. Горизонт, когда такие атаки станут реальностью — от 7-10 лет. Но критически важные данные и устройства с длинным жизненным циклом стоит начинать защищать уже сейчас.
Существует два способа защиты информации от атак с применением квантовых компьютеров. Первый из них — квантовая криптография — использует квантово-физические явления для передачи криптографического ключа, например при помощи фотонов в оптоволоконных линиях или по воздушному пространству: здание-здание, здание-беспилотник, спутник-Земля. В этом случае стойкость ключа к квантовым атакам гарантируется фундаментальными законами физики.
На расстояниях порядка 100 км для квантовых коммуникаций можно использовать уже существующие оптоволоконные сети. В этом случае для реализации квантового канала связи необходим стек оборудования: источники одиночных фотонов, детекторы фотонов, генераторы случайных чисел и повторители сигнала. Для квантовых сетей более 100 км необходимо строить промежуточные доверенные узлы приема-передачи.
Второй метод защиты информации — постквантовая криптография — представляет собой группу квантово-устойчивых алгоритмов, собранных в библиотеки, которые достаточно быстро внедряются в инфраструктуру клиента без использования аппаратного обеспечения.
Квантовая коммуникация, реализованная через оптоволоконную сеть, требует двух каналов: оптический квантовый канал, напрямую соединяющий устройства без усилителей, и классический канал связи. Квантовый канал используется для передачи случайного ключа одиночными фотонами. Классический канал несет служебную информацию протокола и зашифрованную полезную информацию. Этот канал имеет смысл как шифровать, так и проводить аутентификацию узлов с помощью алгоритмов постквантовой криптографии.
Архитектура сетей квантовой связи может быть несколько видов: точка-точка (прямое соединение двух объектов) и точка-многоточка (аналог архитектуры «клиент-сервер»). Также квантовая коммуникация может быть реализована через сети на доверенных узлах и на недоверенных узлах. В первом случае безопасность всей сети ограничена безопасностью отдельных узлов.
Во втором случае применяется комбинация квантовой памяти и квантовой телепортации, чтобы передать состояние квантов на большие расстояния, не измеряя их. Решения на доверенных узлах уже внедряются для бизнеса, а недоверенные узлы еще в стадии научных разработок.
Разработчики квантовой и постквантовой криптографии работают совместно, так как эти две технологии способны хорошо интегрироваться, например центры обработки данных (ЦОД) корпораций могут быть объединены квантовой сетью, а клиенты подключены с помощью постквантовой криптографии. Другой пример: квантовозащищенный корпоративный блокчейн может объединять офисы банка в квантовую сеть, генерирующую блоки, а отделения работать с распределенным реестром под защитой постквантовой криптографии.
Объем финансирования технологий квантовых коммуникаций
Дорожная карта развития квантовых коммуникаций предполагает затраты в размере 19,5 млрд руб. за период до 2024 г. включительно. Из этой суммы федеральный бюджет выделит 13 млрд руб., внебюджетные источники — 6,5 млрд руб., в том числе сами РЖД выделят 5,3 млрд руб.
При этом на разработку технологий построения национальных магистральных каналов квантовых коммуникаций федеральный бюджет направит 1,1 млрд руб. На проектирование и создание магистральной инфраструктуры квантовой коммуникации по ключевым направлениям будет потрачено 3,9 млрд руб. Из этой суммы 1,7 млрд руб. потратит федеральный бюджет, 2,15 млрд руб. — внебюджетные источники (в том числе 1,45 млрд руб. направят РЖД).
До конца 2022 г. запланировано сформировать магистральные каналы квантовых коммуникаций протяженностью не менее 2 тыс. км по ключевым направлениям, а до конца 2023 г. будет обеспечено подключение не менее 500 оконечных абонентов квантовой сети. Подключение абонентов обойдется в 1,8 млрд руб., из этой суммы федеральный бюджет выделит 890 млн руб., внебюджетные источники — 880 млн руб. (в том числе 600 млн руб. направят РЖД).
К середине 2021 г. будут разработаны базовые технологии организации доверенных промежуточных узлов в сетях КРК. На эти цели будет потрачено 750 млн руб., из которых федеральный бюджет направит 500 млн руб., РЖД — 250 млн руб. Еще 650 млн руб. потребуется для организации внедрения технологии доверенных узлов, из которых 530 млн руб. выделит федеральный бюджет, 120 млн руб. — РЖД.
До конца 2024 г. в действующие квантовые сети будут внедрены технологии недоверенных узлов. На эти цели будет направлено 850 млн руб., из которых федеральный бюджет выделит 650 млн руб., РЖД — 200 млн руб.
До конца 2023 г. будет создана система спектрального уплотнения каналов в классических и квантовых оптических сетях. Опытный образец сети с мультиплексированием КРК и информационных каналов будет обладать длиной сегмента 50 км, скоростью квантовых каналов не менее 10 бит/с и скоростью информационных каналов не менее 10 Гбит/с. Соответствующее мероприятие обойдется в 950 млн руб., из которых федеральный бюджет потратит 700 млн руб., РЖД — 250 млн руб.
До конца 2021 г. будет внедрена система управления и мониторинга квантовых сетей. Данное мероприятие обойдется в 970 млн руб., из которых 700 млн руб. выделит федеральный бюджет, РЖД — 270 млн руб. До конца 2022 г. будет создан центр мониторинга квантовой сети. Это обойдется в 700 млн руб.
Построение зарубежных сетей и создание трансграничных интерфейсов квантовых сетей произойдет до середины 2024 г. Это обойдется в 1,05 млрд руб. Из данной суммы федеральный бюджет выделит 800 млн руб., внебюджетные источники — 250 млн руб., включая 200 млн руб. — РЖД).
На развитие атмосферных оптических квантовых каналов связи потребуется 950 млн руб. за период до 2023 г. Из этой суммы 600 млн руб. выделит федеральный бюджет, 350 млн руб. — внебюджетные источники. Построение магистральной квантовой сети с использованием спутниковых каналов связи произойдет до 2030 г. На эти цели федеральный бюджет выделит 1,8 млрд руб.
В части квантового интернета вещей в 2023 г. планируется запустить пилотную сеть. Она обойдется в 1,12 млрд руб., из которых 800 млн руб. направит федеральный бюджет, 400 млн руб. — РЖД. Затем пилотная квантовая сеть будет работать между подвижными объектами. Это обойдется еще в 950 млн руб., из которых федеральный бюджет выделит 600 млн руб., внебюджетные источники — 350 млн руб.
В части импортозамещения в 2022 г. должен быть разработан квантовый генератор случайных числе, а к 2023 г. — отечественная компонентная база квантовых коммуникаций. Соответствующие мероприятия обойдутся в 1 млрд руб., из которых 850 млн руб. выделит федеральный бюджет, 175 млн руб. — внебюджетные источники (включая 125 млн руб. — РЖД).
На разработку протоколов КРК и алгоритмов федеральный бюджет выделит 125 млн руб. за период до 2024 г. Планируется разработать: новые протоколы КРК (квантовое распределение ключей), в том числе для систем с недоверенным промежуточным узлом (MDI, Twin-filed), алгоритмы постобработки квантовых ключей (аутентификация, исправление ошибок, усиление секретности), сетевые протоколы для квантовых коммуникаций, квантово-устойчивые (постквантовые) алгоритмы для передачи, хранения и обработки данных.
Распределение мер поддержки среди институтов развития
Для поддержки малых и средних проектов Фонд содействия инновациям выделит грантов на сумму 550 млн руб. «Российская венчурная компания» (РВК) выделит целевых субсидий на возмещение затрат в размере 6,2 млрд руб., еще 1,45 млрд руб. целевых субсидий на возмещение затрат на внедрение направит Российский фонд развития информационных технологий (РФРИТ).
Для поддержки комплексных и инфраструктурных проектов РВК выделит целевые субсидии на возмещение затрат в размере 1,8 млрд руб., фонд «Сколково» — еще 1,6 млрд руб. В части экосистемных проектов РВК, фонд «Сколково» и «Платформа НТИ» совместно потратят 1,4 млрд руб.
Центр компетенций квантовых коммуникаций на базе РЖД
На организационные мероприятия планируется потратить 1,9 млрд руб. В том числе к 2020 г. должны быть созданы департамент квантовых коммуникаций РЖД и центр компетенций на основе дочерней или зависимой организации РЖД с целью ведения, в том числе, коммерческой деятельности в области квантовых коммуникаций.
До конца 2021 г. должны появиться не менее одного испытательного центра и не менее одной лаборатории для оценки решений участников рынка квантовых коммуникаций. Также должен быть разработан как минимум один национальный стандарт для обеспечения эксплуатации квантовых устройств и сертифицирован не менее чем один продукт отечественного производителя в рамках данного стандарта.
В международный институт стандартизации должно быть направлено предложение о корректировке международного стандарта, консолидированное не менее чем пятью участниками рынка.
Также будет обеспечена непрерывная подготовка высококвалифицированных кадров в области разработки, производства и использования квантовых коммуникаций с учетом требований РЖД. Подготовку пройдут не менее 200 специалистов, прошедших программу дополнительного образования или закончивших магистратуру или защитивших кандидатские диссертации.
Будут сформированы новые стандарты подготовки бакалавров и магистров в области квантовых коммуникаций и разработаны типовые образовательные программы с учетом требований РЖД. До конца 2024 г. будет разработано не менее 16 онлайн-курсов в области квантовых коммуникаций. Вместе с этим будет создана система независимой оценки квалификации специалистов в области квантовых коммуникаций.
Также запланировано формирование и развитие профессиональных сообществ и создание реестра участников экосистемы развития квантовых коммуникаций по категориям: стартапы (малый и средний бизнес), центры компетенций, интеграторы и т. п.
Ожидаемые результаты
По итогам реализации дорожной карты ожидается, что протяженность квантовых сетей связи к 2030 г. составит 15 тыс. км, скорость генерации квантового ключа достигнет 10 тыс. кбит/с на 25 км. Предельная дальность вне лаборатории (один пролет, в условиях тестового полигона) составит 300 км. Поддерживаемое количество портов в сетях точка-многоточка составит 64.
Объем производства и продаж на внутреннем и внешнем рынках продукции (товаров, работ, услуг), основывающейся, в том числе, на отечественных технологиях квантовых коммуникаций, превысит 55 млрд руб. к 2030 г. Совокупная доля российских компаний на мировом рынке решений на базе технологий квантовых коммуникаций составят 8%.
Объем продаж российских компаний на внешнем рынке решений на базе технологий квантовых коммуникаций превысит 5 млрд руб., в том числе на рынке продаж услуг — 500 млн руб. Объем продаж российских компаний на внутреннем рынке решений на базе технологий квантовых коммуникаций превысит 50 млрд руб. В том числе на рынке продажи устройств и инфраструктуры он превысит 35 млрд руб., на рынке продаж услуг — 15 млрд руб.
Интегральный показатель, отражающий уровень развития технологий (УГТ) квантовых коммуникаций в России, повысится с 5 в 2019 г. до 8,7. В том числе для магистральной связи УГТ повысится с 7 до 9, для атмосферной связи — с 5 до 9, для спутниковой связи — с 3 до 8. Объем инвестиций в основной капитал российских компаний, производящих продукты и сервисы на базе технологий квантовых коммуникаций, составит 8,2 млрд руб. за период до 2030 г.
Объем затрат на исследования и разработки российских организаций, разрабатывающих или производящих продукту и сервисы на базе технологий квантовых коммуникаций, составит 10,6 млрд руб. за период до 2030 г. В том числе на опытно-конструкторские работы — 2 млрд руб., на фундаментальные и поисковые исследования будет выделено 500 млн руб. и столько же — на прикладные исследования.
К 2030 г. 360 человек закончат магистратуру по направлению квантовых коммуникаций. В соответствующие проекты будет привлечено 50 человек, имеющих высший рейтинг в глобальном разрезе, в том числе 20 международных специалистов. Три российских вуза будут входить в 100 ведущих университетов мира согласно отраслевым международным рейтингам.
Доля патентов, ежегодно регистрируемых российскими физическими и юридическими лицами по процедуре РСТ (договор о патентной кооперации), в общем количестве ежегодно регистрируемых патентов по соответствующим отраслевым рубрикаторам составит 2%. К 2030 г. россиянами будет зарегистрировано 38 патентов в данной сфере.
Доля публикаций российских резидентов в общемировом количестве публикаций в научных журналах, индексируемых в базе данных Web of Science, по соответствующим отраслевым рубрикаторам составит 2%. Всего за период до 2030 г. у россиян будет 280 таких публикаций.
Средняя цитируемость публикаций россиян в базе данных Web of Science по данной тематике составит 2. В международных рейтингах по соответствующему направлению развития технологий у России будет третья позиция.
Будет организована поддержка 30 отраслевых проектов с использованием квантовых коммуникаций и в российских компаниях, ИТ-интеграторах и операторах мобильной связи. Также будут реализованы 20 проектов по созданию сервисов в ключевых отраслях экономики, критичных к особенностям квантовых сетей связи и создано три полигона на базе отечественных технологий квантовых коммуникаций для тестирования отраслевых сервисов.
