Версия для печати
Вернуться к списку

К 80-летию полного освобождения Ленинграда от фашистской блокады: о защите оборонных объектов и реализации инновационных проектов, крипто-стеганографических коммуникациях и квантово-технологической мультиэнергодиверсификации

Всего через год, 09.05.2025 в России и многих зарубежных странах будет широко отмечаться 80-летие окончания Великой Отечественной войны (22.06.1941-09.05.1945). Согласно статье 1 Федерального закона от 13.03.1995 №32-ФЗ (в редакции от 28.09.2023), в январе ежегодно отмечается День воинской славы России – День полного освобождения Ленинграда от фашистской блокады (1944), и в 2024 году исполняется 80 лет столь важному рубежному событию как Великой Отечественной войны, так и всей Втором мировой (27.01.1944). Современная ситуация в мировой экономике заставляет фокусировать повышенное внимание на защите оборонных объектов и развитии инновационных проектов, в т.ч., в приоритетных сферах крипто-стеганографических коммуникаций и квантово-технологической мультиэнергодиверсификации.

Всё ближе юбилей Великой Победы, но менее, чем через месяц российская и зарубежная научная общественность отметят трехсотлетие старейшей отечественной Академии – Российской академии наук (РАН)! Учреждённая по распоряжению императора Петра Первого от 22.01/02.02.1724 именным Указом Сенату от 28.01/08.02.1724, РАН была воссоздана как «высшее научное учреждение страны» Указом Президента РСФСР от 21.11.1991 № 228 «Об организации Российской академии наук». За три века РАН неоднократно меняла названия (Академия наук и художеств в Санкт–Петербурге (1724), Императорская академия наук и художеств в Санкт–Петербурге (1747), Императорская академия наук (1803), Императорская Санкт-Петербургская академия наук (1836), РАН (1917), Академия наук (АН) СССР (1925), РАН (1991)), но лишь единожды – город: в 1934 году в соответствии с Постановлением Совета народных комиссаров СССР от 25.04.1934 АН СССР переехала из Ленинграда в Москву. Санкт–Петербург и РАН объединяют не только более двух веков (1724-1934) совместной истории, но и длительные множественные научные, образовательные, промышленные, технологические, культурные, экономические и иные связи, поэтому события, связанные с основанным 16/27.05.1703 Петром Первым Санкт–Петербургом (Петроградом – в 1914-1924 годах и Ленинградом – в 1924-1991 годах) дороги и ценны не только гражданам Российской Федерации и ряда других стран, но и всем тем, кто неравнодушен к Великой многовековой Истории нашего Отечества!

Одна из славных и ярких Её страниц – Красносельско-Ропшинская операция (также называемая операция «Нева-2» или «Январский гром»), в ходе которой войска Ленинградского фронта ликвидировали петергофско-стрельнинскую группировку фашистских войск, отодвинув противника на 50-100 км от Ленинграда и полностью освободив город от блокады! Она являлась наступательной операцией Красной армии (Ленинградский фронт) и частью Ленинградско-Новгородской стратегической операции под командованием генерала армии (17.11.1943), будущего маршала Советского Союза (18.06.1944) и Героя Советского Союза (27.01.1945), кавалера ордена «Победа», академика Академии артиллерийских наук (1946-1953) Леонида Александровича Говорова (10/22.02.1897-19.03.1955). Красносельско-Ропшинская операция началась 14.01.1944, и уже 18.01.1944 произошел коренной перелом в сражении в пользу интенсивно наступавших советских войск: в связи с полным освобождением Ленинграда от блокады 27.01.1944 по радио был зачитан приказ Военного совета Ленинградского фронта «в честь одержанной победы произвести в Ленинграде 27 января салют 24 артиллерийскими залпами из 324 орудий». Отметим, что немалую роль в достижении победы в военной операции сыграли разработки многих советских ученых и сотрудников оборонных предприятий, без устали трудившихся «денно и нощно» на Благо Великой Общей Цели – долгожданной Победы в Великой Отечественной войне! Их опыт, силы, знания и целеустремленность востребованы ныне в непростых геополитических условиях: новые поколения отечественных ученых и промышленников создают более совершенные средства и системы для укрепления обороноспособности Российской Федерации, уделяя особое внимание совершенствованию высокотехнологичной продукции для ее соответствия передовым зарубежным аналогам. Большинство разработок созданы не только в рамках Государственного оборонного заказа, но по успешно реализованным инвестиционным проектам. На всероссийских и международных конференциях, форумах, симпозиумах и ассамблеях представители научно-образовательных и промышленно-технологических организаций и предприятий регулярно анонсируют изделия, созданные для обороны гражданских и военных объектов, в частности, с использованием криптографических и стеганографических телекоммуникационных средств и систем и для квантово-технологической мультиэнергодиверсификации.

На одном из специализированных форумов доклад ведущего программиста фирмы «QRate» Николая Борисова был посвящен методике коррекции ошибок на основе низкоплотностных кодов для промышленного устройства квантового распределения ключей (КРК). Напомним Глубокоуважаемым Читателям о том, что согласно протоколу КРК BB84, вначале абонент «А» квантовой коммуникационной сети (ККС) формирует случайную последовательность и выбирает базисы, готовит состояния и отправляет их абоненту «Б» по квантовому каналу, после абонент «Б» принимает состояния в случайных базисах и сообщает абоненту «А» индексы принятых состояний и базисы измерения, затем выполняется процедура вычеркивания состояния с несовпадающими базисами абонентов «А» и «Б» и ими производится постобработка сигнала, в итоге между «А» и «Б» проводится квантово-криптографический сеанс связи. Опуская технические детали, связанные с базисами приготовления и измерения сигнала, а также с принципиальными различиями классического и квантового канала связи, отметим, что целью постобработки сигнала является «дистилляция» ключа, при этом через классический канал необходимо согласовать и извлечь защищаемую информацию из данных «сырого» ключа, переданного через квантовый канал связи. Этапы постобработки включают просеивание «сырого ключа», для «просеянного» ключа проводится коррекция ошибок, исправленные данные ключа направляются на верификацию, после для верифицированного ключа проводится оценка параметров с последующими процедурами усиления секретности и аутентификационной сессии, что приводит к добавлению квантового ключа (КК) в буфер. Если сопоставить временные затраты на различные этапы обработки ключа, то самым «дорогим» является этап постобработки – коррекции ошибок: он занимает порядка 80-90% времени. По 5-10% занимают этапы аутентификации и усиления секретности. На этапе коррекции ошибок, используя классический канал связи, необходимо согласовать содержимое коррелированных копий ключа абонентов «А» и «Б». В качестве ключевых требований рассматриваются критерии минимизации объема данных, переданных через классический канал (сокращение информации для возможной «прослушки» абонентом «Е» для предотвращения перехвата сигнала с сокращением нагрузки на пропускную способность) с минимизацией стоимости операции и количества итераций декодера, что приводит к сокращению нагрузки на центральный процессор. В качестве методов применимы каскадный метод, нейронные сети (ТРМ), коды Хэмминга, полярные коды и низкоплотностные коды (LDPC), предложенные известным выпускником Пенсильванского университета (бакалавр электроинженерии в 1953 году) и Массачусетского технологического института (магистр наук, 1957 год, и доктор наук Sc.D., 1960 год), американским учёным, специалистом по теории информации (сотрудничавшим с Клодом Шенноном), лауреатом премии Шеннона (1983), премии Харви Техниона (1999), премии Дейкстры (2004) и даже премии Японии (2020), членом Национальной академии наук США и Инженерной академии США (1979), Американской академии искусств и наук Робертом Бобом Галлахером (в иной транскрипции – Галлагером) в работе «Low-Density Parity-Check Codes» ещё в 1963 (!) году (ключевые идеи рассматривались в докторской диссертации Р.Галлахера в 1960 году). Эти коды впоследствии были «переоткрыты» в 1999 году известным австралийским математиком и специалистом по информатике, членом Австралийской академии наук (1997), почётным профессором Исследовательской школы компьютерных наук при Австралийском национальном университете (2000) Бренданом Дэмиеном Маккеем: в них – линейный блочный код с разреженной проверочной матрицей, близкой к пределу Шеннона пропускной способностью. LDPC-коды применяются в постквантовой криптографии на решетках и широко распространены в телекоммуникационной отрасли: DVB-X, IEEE 802.11n, 5G и т.д. После анализа проверочной матрицы и графа Таннера рассмотрены структуры данных постобработки: просеивание производится с пачками переменной длины (до ~ 1900 бит), для постобработки накапливается блок просеянного ключа длиной 1,36*106 бит. Коррекция ошибок основана на фрейме 32000 бит, из которых 27200 бит – подблок данных просеянного ключа, 4800 бит – служебные. Уровень шума в квантовом канале характеризуется величиной QBER (Quantum Bit Error Rate), являющейся отношением количества бит с инвертированным значением к длине фрейма L, при этом необходимо отметить, что LDPC-коды также применимы в стеганографии.

Особо следует упомянуть процедуру адаптации скорости кода – для коррекции ошибок применяется оценка QBER «a priori» на основе экспоненциального скользящего среднего (EMA) предыдущих блоков. На основании априорной оценки выбирается скорость кода, но проблема состоит в том, что ансамбль кодов ограничен! В этом случае возможно применение методики «shortening & puncturing»: есть узлы графа «сокращенные» (shortened, их значения известны заранее абонентам «А» и «Б»), и узлы графа «проколотые» (punctured, их значения – шум)! Для расширения ансамбля кодов необходимо проанализировать долю «сокращенных» и «проколотых» узлов и скоростные характеристики кода. Алгоритм коррекции предполагает вычисление абонентом «А» характеристики sA=HRxAmod2 с отправкой значения абоненту «Б», который, в свою очередь, рассчитывает значение sB=HRxBmod2. После абонент «Б» декодирует значение характеристики, полученной от абонента «А», решая задачу поиска вектора невязки z, для которого выполняется условие HRz (mod2) = sA XOR sB, затем абонент «Б» исправляет ошибки своей копии ключа! Аппроксимация задачи поиска «наиболее схожего» (most likely, ML) кодового слова по набору апостериорных вероятностей – непростая. Возможна аппроксимация ML-задачи многоитерационным алгоритмом декодирования, основанным на обмене сообщениями. Вначале на вход процедуры декодирования поступают контексты коррекции фрейма и раунда, из структур которых применяются, в т.ч., т.н. «синдром» s, последовательность данных фрейма e (включая значения «проколотых» и «сокращенных» узлов), проверочная матрица H, оценка QBER (представляемая как априорный уровень вероятности изменения значения бита X), списки позиций «сокращенных» и «проколотых» узлов кода S и P. При инициализации вектора LLR алгоритм начинается с определения вектора начальных значений коэффициентов логарифмического правдоподобия (LLR) для символьных узлов. Значение LLR «сокращенных» узлов в реализации определяется как «+100000» и «–100000», значения LLR «проколотых» бит равных нулю: нулевые значения LLR деактивируют j-й проверочный узел, обращая все сообщения от этого узла к символьным также «в ноль». В алгоритме SMSA (Scaled Min-Sum Algorithm) сообщение от символьного j-того узла к i-тому проверочному узлу на k-той итерации рассчитывается по специальным формулам, в которых непременно учитывается оценка QBER, а при принятии решения производится расчет целевого вектора оценок z(k) для k-той итерации декодера. Если процесс не сходится или достигнуто максимальное количество итераций, то они являются критериями остановки. Дополнительный раунд коррекции предполагает, что отказ от фрейма ведет к падению скорости генерации ключа. Чтобы сохранить данные, в процедуру вводится интерактивность, а дополнительный раунд коррекции фрейма может быть проведен как в симметричном, так и в ассиметричном режимах. Симметричный метод предполагает, что абонент «Б» отправляет абоненту «А» т.н. «синдром», и абонент «А» запускает симметричный процесс декодирования! В случае неудачи текущего раунда абонент «А» знает о состоянии процесса у абонента «Б», и абонент «А» раскрывает абоненту «Б» значения «проблемных» бит. В асимметричном методе абонент «Б» отправляет абоненту «А» статус декодирования: «успех» или «неудача». Абонент «А» раскрывает абоненту «Б» значения «проколотых» бит: если запас «проколотых» бит исчерпан, то раскрываются те, которые выбраны по описанному ранее закону (т.н. «синхронизированные ГПСЧ»).

В докладе были подробно проанализированы преимущества и недостатки коррекции ошибок в квантовой сети «Звезда» и представлены результаты на кросс–платформенной реализации на С++ с ограниченным набором зависимостей, многопоточной обработкой данных и контролем случайности. В разработанной метрике эффективности ключевыми параметрами являются не только длина «синдрома» и длина фрейма, но и объем раскрытых в ходе дополнительных раундов данных, количество «сокращенных» бит, количество «проколотых» бит, бинарная энтропия Шеннона и средний QBER блока. Были проанализированы процедуры эффективности коррекции ошибок, оценки скорости генерации ключа, рейтинга ошибки фрейма (Frame Error Rate, FER). Среди преимуществ предложенных методов отмечалась адаптивность (устойчивость процедуры к флуктуациям QBER в квантовом канале и к временным задержкам в классическом канале связи), масштабируемость (процедура успешно протестирована на платформах Zynq MPSoC и Baikal M), высокая эффективность (по сравнению с другими известными реализациями LDPC EC при работе с реальными данными, полученными при КРК) и гибкость конфигурации (возможность настройки под новые топологии в квантовых сетях, для разных QoS классического и квантового каналов). Среди возможностей усовершенствования, прежде всего, отмечалась зависимость от оценки QBER «a priori»: хотя алгоритм MSA толерантен к колебаниям априорной оценки QBER, ее роль остается важной для выбора скорости кода; следовательно, возможно предсказание значения на основе физической модели, нейросетевое предсказание ряда с LTSM, комбинация методов оценки (EMA+PHYS+LTSM). Кроме того, необходим поиск кодов с лучшей структурой (автоморфизмы графа, отсутствие циклов в графе и т.д.): оптимальная структура LDPC кода определяет его дистантные свойства и зависит от особенностей квантово-криптографического канала.

В выступлении представителя компании «Квант» Алексея Филиппова рассматривались вопросы реализации аппаратуры КРК на отечественной компонентной базе. Среди ключевых проблем развития отрасли отмечались не только недостаточно высокий уровень внедрения текущих разработок систем КРК с применением импортной электронной компонентной базы (ЭКБ), но и потенциальная невозможность закупки критически значимой ЭКБ для серийного изготовления систем КРК, а также непредсказуемый жизненный цикл (ЖЦ) импортной ЭКБ. Рассматривая ключевые компоненты аппаратуры КРК, особое внимание необходимо уделить как модулю обработки и управления (ПЛИС, процессор, операционная система), детектору одиночных фотонов (например, однофотонный лавинный фотодиод) и среде распространения оптического излучения (оптическое волокно, пассивные оптические элементы), так и активным оптическим элементам (например, PIN-фотодиод, аттенюатор), модулирующим элементам (в т.ч., фазовый модулятор) и источникам одиноких фотонов (ИОФ, в частности, лазерный модуль). В качестве ИОФ в докладе был представлен квазиоднофотонный источник на основе DFB лазерного диода. Также были проанализированы лазерные диоды (модули) и фотодиоды производства АО «Новая лазерная техника» (г. Москва), «ФТИ Оптроник» (г. Санкт–Петербург, на базе Физико-технического института (ФТИ) имени академика А.Ф.Иоффе РАН) и ООО «Лазерском» (г. Минск, Беларусь). Помимо конструктивных особенностей оптического волокна (например, технических характеристик защитного покрытия, оптической стеклянной оболочки и сердцевины-световода) обсуждались ключевые параметры инвестиционных проектов оптоволоконных производителей, среди которых были отмечены инновационные разработки АО «Оптоволоконные системы» (г. Саранск) и ПАО «Пермская научно-производственная приборостроительная компания» («ПНППК», г. Пермь). Ряд российских промышленных предприятий успешно реализовали инвестиционные проекты по выпуску светоделителей и сплавных бескорпусных разветвителей, например, ПАО «ПНППК» (г. Пермь) и «Технопарк-Мордовия» (г. Саранск). Отметим, что более остро проблема с импортозамещением обстоит в сфере производства модулятора излучения (фазового модулятора, ФМ): например, для ФМ производства французской фирмы «iXblue» оптические потери (ОП) составляют всего 2,5 дБ, и управляющее напряжение (УН) – менее 4 В (1 кГц) и менее 6 В (10 ГГц), но для американского ФМ «Eospace» ОП – менее 3 дБ и УН – менее 5 В (1 ГГц), а для китайского ФМ «SWT» ОП – менее 4 дБ и УН – менее 5 В (1 кГц). По инвестиционному проекту в ФТИ имени академика А.Ф.Иоффе РАН совместно с ПАО «ПНППК» разработан отечественный ФМ, при этом значения его технических характеристик сопоставимы с зарубежными аналогами! В докладе также был представлен датчик оптического фотодиода (ДОФ) на основе лавинного фотодиода (ЛФ) с металлизирующими контактами, просветляющим покрытием, охранными кольцами и пассивирующим диэлектриком, а также областью лавинного умножения, зарядным слоем, варизонным слоем, поглощающим слоем, буферным слоем и подложкой. Сопоставимый с южнокорейским «Wooriro» по значениям технических характеристик ЛФ разработан в Институте физики полупроводников (ИФП) имени академика А.В.Ржанова Сибирского отделения (СО) РАН, г. Новосибирск (научный руководитель – член Бюро Отделения нанотехнологий и информационных технологий (ОНИТ) РАН и член Президиума СО РАН, академик РАН Александр Леонидович Асеев, директор ИФП СО РАН и член Президиума СО РАН – Александр Васильевич Латышев). Ряд инвестиционных проектов по выпуску отечественных Оптических Лавинных Фотодиодов (ОЛФД) был успешно реализован на производственных площадках ведущих отечественных вузов и промышленных предприятий: например, в университете «ИТМО» (г. Санкт–Петербург) выполнен комплексный инновационный проект по разработке отечественной ЭКБ для систем квантовой коммуникации «ГИБРИД» (при поддержке Министерства промышленности и торговли Российской Федерации, глава Министерства – Заместитель Председателя Правительства Российской Федерации Денис Валентинович Мантуров), в МГУ имени М.В.Ломоносова (ректор – академик РАН, Российской академии образования и Российской академии ракетно-артиллерийских наук Виктор Антонович Садовничий) совместно с ИФП СО РАН (г. Новосибирск) получен российский патент № 2769749 (16.04.2021) «Лавинный фотодиод и способ его изготовления» с разработкой опытных образцов ОЛФД, в АО «ОКБ-Планета» (г. Великий Новгород) в соответствии с дорожной картой «Квантовые коммуникации» разработан приемник одиночный фотонов на базе ОЛФД для систем и средств квантовой коммуникации. На АО «Воронежский завод полупроводниковых приборов – сборка» при реализации отраслевого инвестиционного проекта налажено производство отечественных ПЛИС, конкурентоспособных с ведущими зарубежными аналогами. Российские процессорные модули «Байкал» и «Эльбрус» в рамках проектов созданы в московских АО «Байкал Электроникс» и АО «МЦСТ» соответственно. Разработки применимы, в т.ч., в криптографических и стеганографических коммуникационных системах и в новой сфере квантово-технологической мультиэнергодиверсификации (например, для работы датчиков в ЖКХ).

Выводы и рекомендации:

Восьмидесятилетие полного освобождения Ленинграда от фашистской блокады в контексте современных геополитических событий позволяет не только по-другому оценивать новости из разных мировых регионов, но и более трепетно и рачительно относиться к фактам Истории нашего Отечества, очищая их от неверия, невежества и предвзятого отношения. За три века существования РАН академические ученые в сотрудничестве с отечественными промышленниками неустанно трудились над новыми научными разработками, постоянно повышая обороноспособность страны и повышая её инновационный потенциал. Среди новейших направлений научно-образовательной, промышленно-технологической и эколого-энергетической кооперации особо отметим криптографические и стеганографические коммуникации и квантово-технологическую мультиэнергодиверсификацию, в т.ч., для защиты оборонных объектов.

При переходе на отечественную ЭКБ в квантовых коммуникациях решен ряд ключевых задач для импортозамещения в российской промышленности. Например, гарантирована возможность закупки критически важной российской ЭКБ в установленные, нередко сокращенные в условиях финансовых ограничений, сроки. Кроме того, существенно увеличен ЖЦ ЭКБ, произведенной в Российской Федерации, что увеличивает производственный потенциал предприятий по выпуску промышленной продукции. Наконец, созданы дополнительные стимулы для «государственного регулирования» производства и модернизации российской ЭКБ, производимой на отечественных предприятиях по инновационным инвестпроектам.