http://93.174.130.82/digest/showdnews.aspx?id=7f03f1b6-73ba-4582-b0a8-d1c8c841a596&print=1© 2024 Российская академия наук
В начале весны 2022 года в гибридном формате в Москве был проведен форум «Технологии безопасности». Конференционная серия офлайн была дополнена онлайн-семинарами, которые проводились при активном участии представителей институтов Российской академии наук и отраслевых предприятий. Ученые и промышленники рассмотрели вопросы обеспечение капиталовложений в инфраструктурные научные академические проекты для минимизации рисков в сфере защиты данных и промышленной безопасности, а также проблематику санкционного давления и экономического преображения, экспортоукрепления и импортоопережения на примере квантовых коммуникаций и технологий.
На Международном форуме «Технологии безопасности» состоялось выступление ряда представителей ГлавГосЭкспертизы России, в т.ч., по проблематике противодействия терроризму и обеспечению безопасности в транспортной сфере. Особое внимание было уделено вопросам цифровизации промышленных предприятий (ПП) транспортной отрасли и совершенствованию отраслевой нормативно-правовой базы, в т.ч., устранению правовых пробелов и внутренних и внешних противоречий в текстах нормативно-правовых документов (НПД). Например, в силу специфики отрасли применяются различные НПД на разных участках протяженных железнодорожных маршрутов, в т.ч., по обеспечению безопасной эксплуатации информационных систем и оборудования защиты данных. Для минимизации рисков угроз существующих криптографических и стеганографических комплексов уже недостаточно, необходима разработка и внедрение передовых программно-технических решений, например, основанных на инновационных принципах квантовой криптографии в сочетании с компьютерной стеганографией.
На серии конференций, в т.ч., «Пожарная безопасность жилых зданий и мест массового пребывания людей», «Комплексная безопасность и защита периметра объектов промышленности, нефтегазового сектора и электроэнергетики» и «Защита информации в АСУ ТП. Безопасность КИИ» был представлен ряд докладов по проблематике информационной безопасности. Особое внимание уделялось проблемам цифровой трансформации и защиты данных в контексте развития квантовых технологий (КТ) и построения квантовых телекоммуникационных систем.
При обсуждении проблематики обеспечения безопасности промышленных предприятий в условиях санкций был приведен ряд примеров импортозамещающих квантово-криптографических систем. Отмечалось, что согласно экспертным оценкам, квантовые вычисления и квантовые коммуникации являются следующим шагом цифровой трансформации ПП: построение многомерных цифровых двойников ПП предполагает изменение концепции защиты данных с расширением спектра информационных угроз, более детальной их классификацией и импортозамещением продуктовых линеек компаний, в условиях санкций ограничивших продажу и поддержку программных продуктов, в т.ч., в сфере глобальной и локальной информационной безопасности (ИБ).
Рассматривая импортозамещение квантово-криптографических и квантово-стеганографических систем, необходимо напомнить базовые принцип функционирования квантовых компьютеров. Если обычные компьютеры и суперкомпьютеры обрабатывают информацию в виде двоичных битов со значением «1» или «0», то квантовые компьютеры могут использовать суперпозицию, запутанность и другие типы квантового поведения для переключения между гораздо большим количеством состояний, чем «1» и «0». Эти дополнительные состояния могут сделать вычисления более эффективными при обработке информации на квантовом компьютере и доступе к его данным, тем самым на порядки увеличивая плотность данных и скорость работы квантового компьютера. Обратим внимание, что перечисленные свойства квантовых компьютеров являются инвестиционно-привлекательными и стимулирующими капиталовложения в индустрию квантовых коммуникаций и квантовых технологий, важный сегмент которых в сфере ИБ – разработка квантово-криптографических и квантово-стеганографических систем, трансформирующая инвестиции в цифровые активы ПП, в условиях санкций замещающие зарубежные квантово-криптографические и квантово-стеганографические системы их российскими аналогами.
Использование коллективных свойств квантовых состояний, таких, как суперпозиция, интерференция и запутанность, для проведения квантовых вычислений, на порядки увеличивает скорость квантовых компьютеров при проведении вычислений, на выполнение которых на обычном компьютере ушли бы миллиарды лет. Необходимо отметить, что квантовая информационная технология – это междисциплинарная область, в которой передача и обработка данных (включая обеспечение ИБ ПП) основана на принципах квантовой механики. Соответственно, при проектировании ИБ ПП в условиях санкций и импортозамещении квантово-криптографических и квантово-стеганографических систем следует учитывать динамику и базовые тренды рынка информационных и коммуникационных технологий (ИКТ). Среди ряда российских академических институтов особо отметим разработки в сфере квантово-размерных эффектов Физико-технологического института имени академика К.А.Валиева Российской академии наук (РАН, директор – член-корреспондент РАН Лукичев В.Ф.) и Института прикладной математики имени академика М.В.Келдыша РАН (директор – член-корреспондент РАН Аптекарев А.И., научный руководитель – академик РАН Четверушкин Б.Н.): в них проводится широкий спектр исследований, включающий теоретические вопросы квантово-вычислительных моделей и экспериментальные вопросы квантовой физики, в т.ч. методы обработки и защиты информации. Методы математического моделирования в ИКТ для ИБ ПП предполагают анализ физических величин и уникальных характеристик (например, суперпозиция, запутанность, сжатие, когерентность), которые могут хранить и обрабатывать гораздо больше информации, чем обычные базы данных. В квантовых вычислениях кубит (квантовый бит) является базовой единицей квантовой информации – квантовой версией классического двоичного бита, физически реализованной с помощью устройства с двумя состояниями. Если в классической физике бит должен находиться в одном или другом состоянии, то в квантовой механике кубит может одновременно находиться в когерентной суперпозиции обоих состояний, что является фундаментальным свойством квантовой механики и квантовых вычислений, которое необходимо учитывать при проектировании квантовых телекоммуникационных систем и ИБ-комплексов.
Поскольку квантовые технологии относятся к ИКТ, их применение обеспечит рост объемов вычислений на ПП, в т.ч., в сфере ИБ, поэтому КТ допустимо рассматривать как ИКТ следующего поколения, которые могут преодолеть ограничения существующих компьютеров, включая суперкомпьютеры. С точки зрения инвесторов, квантовая информационная технология – важная капиталоемкая и инвестиционно-привлекательная область исследований, которую нельзя игнорировать, о чем свидетельствует стремительный рост рынка и рост стоимости активов отраслевых ПП. По оценкам экспертов, глобальный рынок квантовых телекоммуникационных систем достигнет примерно 65 миллиардов долларов к 2030 году по сравнению с 570 миллионами долларов в 2019 году при ежегодном росте в 50,6%. Очевидно, что рынок КТ будет расти и дальше, поскольку он сможет заменить традиционные и трансформируемые с течением времени сегменты рынка, включая квантовые коммуникации и ИБ для ПП.
Рассматривая вопросы капиталовложений в научные академические инфраструктурные проекты для обеспечения промышленной безопасности и защиты данных, а также оценивая (на основании экспертных данных и макроэкономической аналитики) степень санкционного давления, уровень экономического преображения в России, роль экспортоукрепления и предварительные результаты импортоопережения на примере КТ и квантовых коммуникаций, необходимо обратить внимание данные об исследованиях в сфере технологий квантовых вычислений. Следует особо отметить три направления: квантовая связь, квантовое зондирование и квантовые вычисления.
Поскольку квантовая связь является технологией, поддерживающей коммуникации путем создания более безопасных сетей, чем сети существующие, с применением для описания всего спектра квантовых состояний. Современные методы шифрования, лежащие в основе такой сети, изучаются, но известен дин из подходов – подход квантового распределения ключей (Quantum Key Distribution, QKD). Целью реализации инвестиционных проектов в данной сфере является построение инфраструктуры квантовой сети и увеличение объемов капиталовложений в новые академические инфраструктурные проекты для обеспечения промышленной безопасности и защиты данных, а также противостояние санкционному давлению и содействие экономическому преображению России, ее экспортоукреплению и импортоопережению в разных сферах.
В квантовом зондировании одним их ключевых компонентов является квантовый датчик, позволяющий визуализировать данные и четко зафиксировать область исследований, в которой квантовые явления применяются для измерения физических величин. Существующие технологии изготовления новых сверхточных квантовых датчиков позволяет значительно повысить точность существующих приборов. В результате в последние годы было проведено множество исследований, подтвердивших ряд гипотез в сфере квантовых вычислений и КТ (ведь из-за двоичности значений цифровых логических данных, состоящих из «0» и «1», диапазон измерения ограничен), поэтому цель состоит в том, чтобы решить проблему, что позволит проводить более глубокие измерения.
Наконец, квантовые вычисления: они направлены на преодоление ограничений в обработке данных на обычных компьютерах для повышения их производительности. Квантовые вычисления могут значительно сократить время, затрачиваемое на вычисления, даже на современных суперкомпьютерах, что применимо в различных сферах, например, в телекоммуникационных комплексах и системах, ИБ, строительстве, авиации, космонавтике, ЖКХ, АПК, медицине…
Разные мировые регионы проводят дифференцированную политику капиталовложений в научные академические инфраструктурные проекты, в т.ч., для обеспечения промышленной безопасности и защиты данных. Например, в США при активном содействии ее ведущей научной организации – Национальной академии наук (НАН) США изучают квантовые ИКТ через Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA), Национальный научный фонд (NSF), Агентство перспективных исследовательских проектов в области разведки (IARPA) и НАН.
В ЕС (одна из наиболее известных академий в ЕС – созданная 01.01.1652 немецкая Леопольдина!) в 2006 году был опубликован Квантовый европейский проект и ряд документов, описывающих системы квантовой передачи информации: в них установлены среднесрочные и долгосрочные цели НИОКР для различных КТ. На Конференции по квантовым технологиям в 2016 году было объявлено о совместной среднесрочной и долгосрочной стратегии ЕС в области исследований и разработок – «Quantum Manifesto». Согласно т.н. «квантовому манифесту», ЕС устанавливает совместные среднесрочные и долгосрочные цели НИОКР для КТ, разделив квантовые информационные технологии на четыре ключевых перспективных направления: квантовую связь, квантовое моделирование, квантовые датчики (применяемые, в т.ч., в сложных программных комплексах и системах) и квантовые вычисления.
Правительство Китая начало поддерживать научные исследования в сфере КТ и квантовой информации в 2006 году. Через десятилетие, в 2017 году в провинции Аньхой КНР была построена крупнейшая в мире лаборатория квантовой информации. В Великобритании в рамках проекта Национальной программы КТ Организацией по инженерным и физическим наукам (EPSRC) было инвестировано 180 миллионов долларов в строительство 4 центров КТ, соединяющих 17 британских университетов и 132 промышленные компании. Реализованный инвестиционный проект направлен на разработку различных технологий для квантовых датчиков и проведения на оборудовании с КТ измерений, которые могут быть коммерциализированы британскими предприятиями, а также на поддержку расширения квантовой инфраструктуры и обучения по специальностям в сфере КТ и квантовых коммуникаций.
В Японии разработкой в сфере квантовых информационных коммуникационных технологий занят Национальный институт информационных и коммуникационных технологий (NICT), который разработал план отраслевого развития технологий до 2040 года. В Канаде интенсивные научные исследования проводятся через национальные исследовательские институты, такие как Совет по естественным наукам и инженерным исследованиям Канады (NSERC), Канадский фонд инноваций (CFI), Канадский институт перспективных исследований (CIFAR) и Канадский фонд передовых исследований (CFREF) на основе капиталовложений и частных инвестиций более 1 миллиарда долларов.
Рассматривая проблематику капиталовложений в научные академические инфраструктурные проекты для обеспечения промышленной безопасности и защиты данных наряду с ключевыми вопросами санкционного давления, экономического преображения, экспортоукрепления и импортоопережения на примере КТ и квантовых коммуникаций, необходим особо отметить высокий уровень проводимых научных исследований и промышленных разработок. Например, корпорация «Intel» на конференции «Intel Labs Day 2020» представила высокоинтегрированную систему на кристалле (SoC) для квантовых компьютеров «Horse Ridge II». Аналогично, «IBM» представила свою систему квантовых вычислений (СКВ) и язык программирования «QSAM», а «Microsoft Corporation» работает с производителями квантового оборудования «IonQ», «Honeywell» и «QCI» над разработкой новой системы квантовых вычислений. Даже «Amazon» успешно инвестирует в компании, разрабатывающие технологий квантовых вычислений «D-Wave», «IonQ» и «Rigett»i для «Amazon Web Service» (AWS) в качестве своих облачных сервисов. Также ряд других крупных ИТ-компаний и корпораций развивают собственные квантовые информационные технологии, регулярно инвестируя в исследования и разработки.
Обсуждая вопросы промышленной безопасности и защиты данных, необходимо учитывать, что сфера квантовой коммуникации сосредоточена преимущественно на криптографической основе, при этом в приоритетном положении находится финансовый сектор, где уровень инвестиционной активности соответствует информационной безопасности и сопоставим со сложностью протоколов шифрования. Т.о., индустрия квантовой связи становится новой инфраструктурой, заменяющей традиционные сети, и новый этап научного исследования связан с разработкой и созданием сетевого оборудования, поддерживающего квантовую связь.
Другое направление в сфере КТ – Квантовое зондирование: оно было исследовано для преодоления ограничений в работе лидарных датчиков. Согласно экспертным оценкам, развитие систем квантового зондирования общее стимулирующее влияние на отрасль как инициатива по измерению объектов, которые ранее не измерялись вследствие несовершенства приборной база и КТ. Квантовое зондирование – это базовая технология, которую можно использовать в широком спектре областей, сопоставимых по инвестиционной привлекательности с квантовой связью и квантовыми вычислениями. Наличие датчиков в подавляющем количестве устройств обуславливает необходимость государственных капиталовложений. Наконец, многие ИТ-компании стремятся исследовать и развивать квантовые вычисления, что позволит преодолеть ограничение скорости при вычислительной обработке на суперкомпьютерах. Квантовые вычисления применимы при системном анализе больших массивов данных, искусственном интеллекте, в оборонной промышленности и т.д. Задачи квантовых вычислений также включают изучение свойств квантовых алгоритмов, которые заменяют существующие алгоритмы, построенные на работу с битами, что затрудняет их применение в квантовых вычислениях, в которых работы проводятся с кубитами.
Выводы и рекомендации:
Капиталовложения в научные академические инфраструктурные проекты для обеспечения промышленной безопасности и защиты данных позволят в условиях санкционного давления преобразить экономику России, увеличить ее экспортный потенциал и сработать на опережение в сфере импорта. Одним из приоритетных рынков сбыта в РФ является сектор КТ и квантовых коммуникаций.
Среди квантовых информационных технологий необходимо особо отметить три ключевых направления: квантовую связь, квантовое зондирование и квантовые вычисления. Переход из сферы научных исследований с государственной поддержкой в промышленный сектор предполагает привлечение частных инвестиций, в т.ч., в формате государственно-частного партнерства по ряду проектов.
При рассмотрении проблематики цифровизации ПП транспортной отрасли и совершенствования отраслевой нормативно-правовой базы необходимо устранение правовых пробелов и внутренних и внешних противоречий в текстах НПД. При анализе текстов НПД применимы разработки в сфере компьютерной стеганографии, позволяющие выявить и локализовать несовершенство НПД с последующей идентификацией ошибок и их последующим устранением.