05 Августа 2020 20:18 05 Авг 2020 20:18 |

Поделиться

В России потратят 19,5 млрд рублей на развитие квантовых коммуникаций

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.

В прошлом году 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 будет представлять 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. Ожидается, что такие атаки могут стать реальностью уже через 7-10 лет. Но критически важные данные и устройства с длинным жизненным циклом стоит начать 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. Это можно делать 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, протяженность которых составляет более 100 километров, 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. Он несет служебную информацию протокола и зашифрованную полезную информацию. Имеет смысл как шифровать этот канал, так и проводить аутентификацию узлов с помощью алгоритмов постквантовой криптографии.

Существует несколько видов архитектуры сетей квантовой связи: «точка-точка» (прямое соединение двух объектов) и «точка-многоточка» (аналог архитектуры «клиент-сервер»). Также квантовая коммуникация может быть реализована через сети на доверенных и на недоверенных узлах. В первом случае безопасность всей сети ограничена безопасностью отдельных узлов. Во втором случае применяется комбинация квантовой памяти и квантовой телепортации, благодаря чему состояние квантов передается на большие расстояния без необходимости их измерения. Решения на доверенных узлах уже внедряются для бизнеса, а недоверенные узлы пока находятся в стадии научных исследований.

Разработчики квантовой и постквантовой криптографии работают совместно, так как эти две технологии способны хорошо интегрироваться. Например, центры обработки данных корпораций могут быть объединены квантовой сетью, а клиенты при этом подключаются с помощью постквантовой криптографии. Другой пример: квантово-защищенный корпоративный блокчейн может объединять офисы банка в квантовую сеть, генерирующую блоки, а отделения работают с распределенным реестром под защитой постквантовой криптографии.

Приоритетные продукты дорожной карты развития квантовых коммуникаций

Объем финансирования технологий квантовых коммуникаций

Дорожная карта развития квантовых коммуникаций предполагает затраты в размере ₽19,5 млрд за период до 2024 г. включительно. Значительную часть этой суммы (₽13 млрд) выделит федеральный бюджет. Остальные ₽6,5 млрд приходятся на внебюджетные источники, в которые включены ₽5,3 млрд от РЖД.

Среди прочего, на разработку технологий построения национальных магистральных каналов квантовых коммуникаций федеральный бюджет направит ₽1,1 млрд. Еще ₽3,875 млрд будет выделено на проектирование и создание магистральной инфраструктуры квантовой коммуникации по ключевым направлениям. На федеральный бюджет приходится меньше половины этой суммы (₽1,7 млрд), остальное (₽2,15 млрд) выделят внебюджетные источники, в том числе и РЖД — ₽1,45 млрд.

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. Это обойдется в ₽1,77 млрд. Из них ₽890 млн поступят из федерального бюджета, а еще ₽880 млн — из внебюджетных источников (₽600 млн — по линии РЖД).

К середине 2021 г. будут разработаны базовые технологии организации доверенных промежуточных узлов в сетях КРК (квантовое распределение ключей). На эти цели будет потрачено ₽750 млн, из которых федеральный бюджет направит ₽500 млн, РЖД — ₽250 млн. Еще ₽650 млн потребуется для организации внедрения технологии доверенных узлов. Тут доля государства составит ₽530 млн, остальные ₽120 млн поступят от РЖД.

До конца 2024 г. в действующие квантовые сети будут внедрены технологии недоверенных узлов. На эти цели будет направлено ₽850 млн, из которых федеральный бюджет выделит ₽650 млн, РЖД — ₽200 млн.

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. Это обойдется в ₽950 млн: ₽700 млн будет потрачено из федерального бюджета, остальное перечислят РЖД.

Также до конца 2021 г. будет внедрена система управления и мониторинга квантовых сетей. Затраты на ее создание оцениваются в ₽970 млн, из которых ₽700 млн выделит федеральный бюджет, а еще ₽270 млн — РЖД. До конца 2022 г. будет создан центр мониторинга квантовой сети. Это обойдется еще в ₽700 млн.

Построение зарубежных сетей и создание трансграничных интерфейсов квантовых сетей произойдет до середины 2024 г. Общие затраты составят ₽1,05 млрд. Федеральный бюджет выделит ₽800 млн из этой суммы, а внебюджетные источники — ₽250 млн, включая ₽200 млн от РЖД.

На развитие атмосферных оптических квантовых каналов связи в период до 2023 г. потребуется ₽950 млн. Из этой суммы ₽600 млн выделит федеральный бюджет, ₽350 млн — внебюджетные источники. Построение магистральной квантовой сети с использованием спутниковых каналов связи случится не позднее 2030 г. На эти цели федеральный бюджет выделит ₽1,8 млрд.

В части квантового интернета вещей в 2023 г. планируется запустить пилотную сеть. Она обойдется в ₽1,12 млрд, из которых ₽800 млн направит федеральный бюджет, ₽400 млн — РЖД. Затем пилотная квантовая сеть начнет работать между подвижными объектами. Для этого придется потратить еще ₽950 млн (₽600 млн из федерального бюджета и ₽350 млн из внебюджетных источников).

Если говорить об импортозамещении, то к 2022 г. должен быть разработан квантовый генератор случайных чисел, а к 2023 г. — отечественная компонентная база квантовых коммуникаций. Это обойдется в сумму в ₽1,025 млрд, из которых ₽850 млн выделит федеральный бюджет, ₽175 млн — внебюджетные источники, включая ₽125 млн от РЖД.

На разработку протоколов КРК и алгоритмов федеральный бюджет выделит ₽125 млн до 2024 г. Планируется разработать новые протоколы КРК, 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, а также квантово-устойчивые (постквантовые) алгоритмы для передачи, хранения и обработки данных.

План финансирования дорожной карты развития квантовых коммуникаций

Распределение мер поддержки среди институтов развития

Для поддержки малых и средних проектов Фонд содействия инновациям выделит гранты на общую сумму ₽550 млн. Также ожидается выделение целевых субсидий на возмещение затрат от «Российской венчурной компании» (РВК) в размере ₽6,16 млрд. Еще ₽1,45 млрд целевых субсидий на возмещение затрат на внедрение направит Российский фонд развития информационных технологий (РФРИТ).

Для поддержки комплексных и инфраструктурных проектов РВК также выделит субсидии — ₽1,8 млрд. Фонд «Сколково» добавит к этой сумме еще ₽1,6 млрд. В части экосистемных проектов РВК, фонд «Сколково» и «Платформа НТИ» совместно потратят ₽1,35 млрд.

Распределение мер поддержки развития технологий квантовых коммуникаций среди институтов развития

Центр компетенций квантовых коммуникаций на базе РЖД

На организационные мероприятия планируется потратить ₽1,92 млрд. В 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 как минимум один испытательный центр и одна лаборатория для оценки решений участников рынка квантовых коммуникаций. Затраты на это составят ₽450 млн. Также должен быть разработан как минимум один национальный стандарт для обеспечения эксплуатации квантовых устройств. Ожидается сертификация хотя бы одного продукта отечественного производителя в рамках этого стандарта. Затраты на это составят ₽170 млн.

Кроме того, в Международный институт стандартизации должно быть направлено предложение о корректировке международного стандарта, консолидированное как минимум пятью участниками рынка. На это потребуется еще ₽250 млн.

₽180 млн будет направлено на информационное продвижение квантовых коммуникаций в прикладных областях цифровой экономики и рынков НТИ. Среди прочего, будут созданы коммуникационные площадки и специализированный сайт. Каждый год будет проводиться не менее двух семинаров по квантовым коммуникациями с участием российских и зарубежных специалистов.

Стоит задача ежегодно повышать компетенции 10 и более сотрудников для удовлетворения потребности в развитии квантовых коммуникаций. На эти цели будет направлено ₽100 млн. К декабрю 2024 г. к работе будут привлечены не менее 10 иностранных специалистов, которые помогут с развитием высокотехнологичной области квантовых коммуникаций. На это потребуется ₽130 млн.

Также будет обеспечена непрерывная подготовка высококвалифицированных кадров в области разработки, производства и использования квантовых коммуникаций с учетом требований РЖД. Ее пройдут не менее 200 специалистов, за плечами у которых уже есть программа дополнительного образования, магистратура или защищенные кандидатские диссертации. Затраты на это составят ₽140 млн.

Будут сформированные и новые стандарты подготовки бакалавров и магистров в области квантовых коммуникаций, а также разработаны типовые образовательные программы с учетом требований РЖД.

Еще ₽150 млн планируется потратить на разработку до конца 2024 г. как минимум 16 онлайн-курсов в области квантовых коммуникаций. Вместе с этим, будет создана система независимой оценки квалификации специалистов в этой сфере.

Также запланировано формирование и развитие профессиональных сообществ (затраты на это составят ₽130 млн) и создание реестра участников экосистемы развития квантовых коммуникаций по таким категориям, как стартапы (малый и средний бизнес), центры компетенций, интеграторы и т.п.

Прогноз развития перспективных технологий квантовых коммуникаций

В 2021 г. ожидается запуск сервиса аренды магистральных оптоволоконных квантовых каналов связи. Будет сформирована квантовая коммуникационная сеть магистральных оптоволоконных каналов и готовых аппаратных решений для подключения как минимум 1 тыс. абонентов. Объем мирового рынка для соответствующих сервисов в 2024 г. составит ₽50 млрд, российского — ₽700 млн.

В том же 2021 г. будет запущен магистральный сетевой шифратор с поддержкой квантовых ключей. Он обеспечит скорость не менее 10 Гбит/с с предельным затуханием в канале не менее 30 дБ. К 2024 г. объем мирового рынка составит ₽70 млрд, объем российского рынка — ₽1,25 млрд. Объем продаж российских компаний на внешнем рынке составит ₽500 млн.

В 2021 г. также начнется коммерциализация систем квантового распределения ключей «точка-многоточка» с недорогим клиентом для сетей топологии «звезда». Длина сегмента составит 25 км. Будет обеспечиваться одновременное подключение до 32 абонентов. Сервер будет вырабатывать суммарный объем ключей не менее 16 кбит/с. К 2024 г. объем соответствующего мирового рынка составит ₽20 млрд, российского — ₽250 млн. Объем продаж российских компаний на внешнем рынке достигнет отметки в ₽100 млн.

К 2023 г. будет готов мультиплексор квантовых и информационных каналов (xWDM), обеспечивающий совместную работу квантового канала с классическим. Количество квантовых каналов составит не менее 4, количество информационных каналов — не менее 8, длина сегмента ВОЛС — до 50 км. Скорость информационных каналов достигнет 10 Гбит/с на канал. К 2024 г. объем мирового рынка составит ₽20 млрд, а российского — ₽250 млн. Таким же будет объем продаж российских компаний на внешних рынках.

В 2021 г. заработают портативные устройства КРК для абонентских устройств и интернета вещей. Скорость генерации квантовых ключей составит не менее 0,01 кбит/с при потерях 10 дБ. К 2024 г. объем мирового рынка составит 10 млрд, объем российского — ₽250 млн. Объем продаж российских компаний на внешнем рынке достигнет отметки ₽75 млн.

В 2022 г. будут запущены системы КРК, работающие через наземные атмосферные оптические каналы связи. Дальность линий связи составит до 1 км, затухание оптического канала — до 20 дБ. К 2024 г. объем мирового рынка составит ₽3 млрд, российского — ₽100 млн, объем продаж российских компаний на внешнем рынке — ₽25 млн.

В 2023 г. заработают системы КРК между подвижными объектами. Будет поддерживаться до 10 стационарных узлов и 1-2 подвижных узла, длина атмосферного квантового канала составит не более 1 км, скорость генерации квантовых ключей — не менее 0,01 кбит/с. К 2024 г. объем мирового рынка составит ₽2 млрд, объем российского рынка — ₽50 млн. Таким же будет объем продаж российских компаний за рубежом.

В 2022 г. произойдет запуск опытного производства устройств формирования случайных последовательностей для систем КРК. Скорость генерации составит не менее 1 Гбит/с. К 2024 г. объем мирового рынка составит ₽1 млрд, объем российского рынка — ₽50 млн. Таким же будет объем продаж российских компаний на внешнем рынке. Потребность в таких устройствах составит более 10 тыс. штук, примерная стоимость одной единицы — 50 тыс.

В 2023 г. будет запущено опытное производство устройств счета одиночных фотонов для квантовых коммуникаций. Квантовая эффективность составит не менее 10%, временное разрешение — менее 150 пс, вероятность темного срабатывания — не более 10 в степени (-7). К 2024 г. объем мирового рынка составит ₽5 млрд, российского — ₽200 млн, таким же будет и объем продаж российского компаний на внешнем рынке. Потребность в таких устройствах составляет 10 тыс. Стоимость одного такого устройства планируется снизить с ₽3-5 млн до ₽50 тыс.

В 2023 г. будет запущено опытное производство устройств формирования квантовых состояний. Их проектная частота — не менее 1 млн состояний в секунду с вероятностью генерации одиночного фотона не менее 80%. К 2024 г. объем мирового рынка составит ₽500 млн, объем российского рынка — ₽50 млн, объем продаж российских компаний на внешнем рынке — такая же — ₽50 млн.

В 2022 г. должен появиться сервер квантово-защищенных ключей с поддержкой многопользовательского режима и частотой обновлений ключей до одного раза в секунду. К 2024 г. прогнозируемый объем мирового рынка достигнет уровня в ₽5 млрд, на Россию будут приходиться ₽300 млн, которые сформируют продажи отечественных компаний на внешних рынках.

В 2021 г. появится система управления квантовой сетью со стационарными и мобильными абонентами. К 2024 г. объем мирового рынка составит ₽5 млрд, объем российского — ₽100 млн, таким же будет и объем продаж российских компаний на внешних рынках.

В 2020 г. начнутся пилотные поставки продуктов и предоставление сервисов. Не менее чем в пяти крупных компаниях сертифицированные продукты на основе КРК будут использоваться как элемент защиты информации. Тут к 2024 г. объем мирового рынка составит ₽100 млрд, а объем российского — ₽2,5 млрд, объем продаж российских компаний на внешнем рынке достигнет ₽100 млн.

В сфере спутниковых систем КРК («Земля-спутник», «спутник-Земля») объем мирового рынка к 2024 г. составит ₽1 млрд. В России соответствующие продукты будут разработаны только к 2029 г.

Объем мирового рынка образовательных программ по квантовым коммуникациям в 2024 г. составит ₽1 млрд, объем российского рынка — ₽50 млн, таким же будет объем продаж российских компаний на внешних рынках.

Приоритетные технологии дорожной карты развития квантовых коммуникаций

Ожидаемые результаты

Ожидается, что по итогам реализации дорожной карты протяженность квантовых сетей связи к 2030 г. составит 15 тыс. км, скорость генерации квантового ключа достигнет уровня в 10 тыс. Кбит/с на 25 км. Будет достигнута предельная дальность вне лаборатории (один пролет в условиях тестового полигона) в 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 к 2030 г. Совокупная доля российских компаний на мировом рынке решений на базе технологий квантовых коммуникаций составит 8%.

Объем продаж российских компаний на внешнем рынке решений на базе технологий квантовых коммуникаций превысит ₽5 млрд, в том числе на рынке продаж услуг — ₽500 млн. Объем продаж российских компаний на внутреннем рынке решений на базе технологий квантовых коммуникаций превысит ₽50 млрд. Реперная точка для рынка продажи устройств и инфраструктуры — ₽35 млрд, для рынка продаж услуг — ₽15 млрд.

Интегральный показатель, отражающий уровень развития технологий (УГТ) квантовых коммуникаций в России, повысится с «5» в 2019 г. до «8,7». Например, 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 в период до 2030 г.

Объем затрат на исследования и разработки российских организаций, выпускающих или производящих продукты и сервисы на базе технологий квантовых коммуникаций, составит ₽10,6 млрд в период до 2030 г. На опытно-конструкторские работы потратят ₽2 млрд, на фундаментальные и поисковые исследования — ₽500 млн 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 список ста 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 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. Ожидается реализация 20 проектов по созданию сервисов в ключевых отраслях экономики, критичных к особенностям квантовых сетей связи, а также создание трех полигонов на базе отечественных технологий квантовых коммуникаций для тестирования отраслевых сервисов.

Целевые показатели дорожной карты развития квантовых коммуникаций

Игорь Королев

Поделиться

Подписаться на новости Короткая ссылка