К 80-летию завершения Курской битвы: сага о форсайте в сфере научно-образовательной, промышленно-технологической, финансово-экономической, медико-биологической и эколого-энергетической безопасности – о криптостегоматах и киберавтоматах, инновационном квантовом вооружении и перспективном военном оснащении
11.08.2023
Источник: Инвестиции в России, 11.08.2023, Леонид РАТКИН
В августе 2023
года в России и за рубежом широко отмечается 80-летие завершения Курской битвы
(05.07.1943-23.08.1943). Более известная как Битва на Курской дуге, она
является одним из главных сражений Великой Отечественной войны и Второй мировой
войны: в нем принимали участие порядка 2 миллионов человек, 6 тысяч танков (в
военной историографии считается величайшим танковым сражением) и 4 тысяч
самолетов. Курская битва, проходившая в Курской, Белгородской и Орловской
областях РСФСР, а также в Сумской и Харьковской областях УССР, стала успешным
прологом к мощным наступательным действиям советских войск в 1944–1945 годах. В
непростой геополитической ситуации отечественным ученым необходимо обратить
особое внимание на обеспечение научно-образовательной, промышленно-технологической,
финансово-экономической, медико-биологической, эколого-энергетической
безопасности, также учитывая возможности совместной разработки перспективных
образцов военного оснащения и инновационных систем квантового вооружения,
криптостегоматов и даже киберавтоматов.
Битва на Курской
дуге – одно из ключевых и стратегически-важных сражений Великой Отечественной
войны и Второй мировой войны, включающая Курскую стратегическую оборонительную
операцию с 5 по 23 июля 1943 года, Орловскую стратегическую наступательную
операцию (СНО) с 12 июля по 18 августа 1943 года (потерпела поражение орловская
группировка немецких войск (ГНВ) с ликвидацией орловского стратегического
плацдарма) и Белгородско-Харьковскую (БХ) СНО с 3 по 23 августа 1943 года (потерпела
поражение БХ ГНВ с ликвидацией БХ плацдарма). В 1943 году в Великой
Отечественной войне произошел коренной перелом: победа в Сталинградской битве
заложила прочный фундамент победоносным действиям советских войск, а Курская
битва и сражение за Днепр приумножили и закрепили их достижения, что позволило
руководителям стран антигитлеровской коалиции обсуждать будущее Европы и «план
разделения Германии на пять государств».
Перешедшая к
Красной Армии после битвы на Курской дуге стратегическая инициатива позволила
освободить территорию СССР и ряда других стран от фашистских войск, проводя
преимущественно наступательные операции до конца Великой Отечественной войны.
День окончательного разгрома советскими войсками фашистских войск в Курской
битве (23 августа) является праздником - одним из Дней воинской славы России, а
Белгород, Курск и Орел – первые российские города, которым было присвоено
почетное звание «Город воинской славы».
Накануне 80-летия
завершения Курской битвы в подмосковном КВЦ «ПАТРИОТ» с 14 по 20 августа 2023
года был организован и проведен Международный военно-технический форум (МВТФ)
«АРМИЯ». Мощная экспозиция российской военной техники удачно гармонировала с
выставкой отечественных и иностранных компаний в сфере вооружения и военной
техники (ВВТ) и оказания услуг в смежных отраслях (например, поставка продукции,
логистика). Открывая МВТФ «АРМИЯ», Президент Российской Федерации Владимир
Владимирович Путин отметил важность проведения столь значимого и масштабного
форума в непростых условиях, в которых на экспозиционных площадках
предприятиями России и стран ближнего и дальнего зарубежья представлены
новейшие образцы ВВТ.
Деловая программа
МВТФ «АРМИЯ» насчитывала несколько сот симпозиумов, конференций, научных сессий
и круглых столов, в т.ч., ряд заседаний по тематике применения квантовых
технологий (КТ) в сфере ВВТ и смежных отраслях, например, круглые столы по
перспективам применения КТ для обеспечения безопасной передачи информации для
систем связи специального назначения, достижениям и перспективам в сфере КТ, КТ
государственной корпорации «Росатом» и тенденциям развития высокотехнологичного
направления «Квантовые коммуникации». Вопросы, непосредственно связанные с
перспективами применения КТ, также рассматривались на ряде других
конгрессно-выставочных, мероприятий, например, «Форум будущих технологий.
Вычисления и связь. Квантовый мир» с участием Президента Российской Федерации
Владимира Владимировича Путина и Президента старейшей Академии РФ – Российской
академии наук (РАН), академика РАН Геннадия Яковлевича Красникова в июле 2023
года. На ряде форумов по проблематике развития КТ, квантовых коммуникаций и
квантовых вычислений, прозвучал ряд актуальных докладов и выступлений, в
которых рассматривались вопросы их внедрения в промышленное производство и применения,
в т.ч., в ВВТ.
Рассматривая
вопросы использования КТ, необходимо, прежде всего, учитывать, что определенные
классы задач (например, оптимизация поиска пути, приложения для нейронных
сетей, моделирование природных явлений, факторизация на простые числа) до сих
пор сложны даже для мощнейших суперкомпьютерных систем: их решение может
занимать время, превышающее возраст Вселенной! В этом случае
инвестиционно-привлекательными являются инновационные проекты по разработке
физических платформ для реализации кубитов – ключевых компонентов квантового
компьютера. Базовыми методами для реализации кубитов являются полупроводниковые
кубиты («Intel» и другие корпорации), ионы в оптических ловушках («IonQ»,
Университет Иннсбрука – «AQT», ФИАН, Российский квантовый центр (РКЦ) и т.д.),
сверхпроводниковые кубиты («Google», «IBM», «Rigetti», «D-Wave», «Microsoft
Corporation», ГК «Росатом», МИСиС, РКЦ, Институт физики твердого тела РАН,
МФТИ, Московский государственный технический университет (МГТУ) имени
Н.Э.Баумана (президентом МГТУ является член Бюро Отделения нанотехнологий и
информационных технологий (ОНИТ) РАН, академик РАН, д.т.н., профессор Игорь
Борисович Федоров) и т.д.), оптические кубиты (интегральная оптика,
«PsiQuantum», «Xanadu», МГУ имени М.В.Ломоносова (ректором МГУ является
академик РАН, Российской академии образования (РАО) и Российской академии
ракетно-артиллерийских наук (РАРАН), д.ф.-м.н., профессор Виктор Антонович Садовничий),
МГТУ имени Н.Э.Баумана, РКЦ, ультра-холодные атомы в оптических потенциалах
(например, Гарвардский университет – «QuEra», МГУ имени М.В.Ломоносова, РКЦ,
«ColdQuanta», «Ecole Polytechnique» - «Pascal» и т.д.), а также многие другие
платформы. Одной из ключевых задач, требующих неотложного решения, является
поиск оптимальной элементной базы в соответствии с заданными критериями
оптимизации, среди которых приоритетными являются масштабируемость (синхронная
работа с большим числом кубитов) и контроль (достижимость высокого качества изготовления
кубитов и высокой степени надежности операций с кубитами). Повышение требований
к надежности, скорости, качеству и ряду других ключевых параметров в сфере КТ
формулирует постановку важнейшей задачи по обеспечению работоспособности и
бесперебойности функционирования квантового интернета, где вычислительные
комплексы сконструированы с применением КТ, а в интерфейсы интегрированы
квантовые коммуникации. Поскольку одной из важнейших проблем создания квантовых
компьютеров является сложность масштабирования квантовых устройств при наличии
ошибок, пожалуй, наиболее реальным и реализуемым вариантом ее решения можно
считать конструирование многомодульных архитектур квантовых вычислительных
комплексов, в которых квантовые коммуникационные системы оперативно
обеспечивают согласованное взаимодействие квантовых процессоров между собой. В
этой связи возникает необходимость поиска эффективных механизмов управления
квантовыми системами и формирования новых протоколов передачи и приема
квантовой информации. Пилотные инновационные проекты по модульным квантовым
вычислениям уже реализуются, также проводятся демонстрационные эксперименты для
поиска инвесторов и партнеров для долгосрочных капиталовложений в исследования
в КТ, применяемых в научно-образовательной, промышленно-технологической,
финансово-экономической, медико-биологической, а также в эколого-энергетической
сферах для обеспечения безопасности и бесперебойного функционирования
киберавтоматических систем, криптостегоматов, инновационных квантовых системах
и перспективном оснащении ВВТ.
Среди основных
направлений совершенствования КТ, в частности, квантовых информационных
технологий (КИТ), следует отметить, прежде всего, коды коррекции и методы
ошибок, а также диагностику устройств для КИТ, например, для идентификации типов
шумов, которые оказывают влияние на работу систем и комплексов в сфере КИТ.
Кроме того, одним из важных направлений совершенствования КТ являются дистрибутивные
(т.н. «распределенные») алгоритмы для применения в сфере КТ, в т.ч., КИТ: для
распределенных квантовых вычислений, квантовых цифровых подписей и распределенных
реестров, протоколов для управления квантовыми сенсорными комплексами и системами
и для сетей квантовых коммуникаций. Наконец, еще одним направлением развития
КИТ является управление квантовыми комплексами и системами с реализацией
базовых и дополнительных протоколов для приведения квантовой системы из
начального состояния в требуемое (например, при реализации квантового алгоритма
или приеме/передаче квантовой информации), поскольку прямое построение системы
оптимального управления численно практически невозможно («сжатое» определение
квантового комплекса или системы с применением аппарата тензорно-сетевого
представления).
На пленарном
заседании «Квантовое будущее Российской Федерации» и научных сессиях
Всероссийского форума «Доверенные квантовые технологии и коммуникации» был
представлен ряд других докладов: например, на сессии «Регулирование и практика
развития квантовых технологий в квантовой триаде» прозвучало выступление
А.А.Калачева (ФИЦ «Казанский научный центр РАН») по проблемам построения и
перспективам применения квантовых повторителей. Были анонсированы результаты
экспериментов, проведенных при квантовом распределении ключа (КРК) на 421 км с
прямой передачей по волокну (0.17 дБ/км) при скорости КРК 0.45 бит/с, и
двухлучевого протокола КРК между городами на расстоянии 511 км в лаборатории на
расстоянии 833 км со скоростью КРК 0.014 бит/с. В докладе рассматривались
методы прямой передачи, квантовой связи через доверенные узлы и повторители, и
разные варианты реализации квантовой памяти (в частности, многомодовая и
многокубитовая), схемы измерения Белла (например, однофотонная и двухфотонная)
и квантового интерфейса (в т.ч., без частотной конверсии и с частотной
конверсией). В настоящее время мировым достижением является когерентная
оптическая память с длительностью хранения всего 60 минут, причем в кристалле
151Eu3+:Y2SiO5 с протоколом AFC получено максимальное время когерентности
порядка 360 минут, т.е. в 6 раз больше! Аналогично, мировым достижением по
конструированию элементарного сегмента квантового повторителя является кристалл
Nd:YVO4 (протокол AFC, скорость КРК 10-4 бит/с). Среди других экспериментов
особо следует отметить формирование перепутанных состояний между удаленными
устройствами квантовой памяти на холодных атомах (расстояние до 50 км) и КРК с
применением квантовой памяти на базе ансамбля SiV-центров со скоростью КРК 10-7
бит/с. Среди дальнейших мер по развитию научных исследований в данной сфере
можно отметить мультиплексирование (например, временное и частотное): в схеме
квантового повторителя с мультиплексированием допустима возможность снижения времени
работы памяти благодаря наращиванию количества каналов. Для инвесторов также
интересна технология очищения запутанности и коррекции ошибок, например,
генерации/очищения запутанности с оповещением и квантовым исправлением ошибок.
Критически-важной технологией является создание квантовой памяти (КП) с
длительным (long-play) циклом работы (ДЦР). Поскольку КП можно считать
управляемую линию задержки для квантовых состояний компонентов, то в качестве
базовых вариантов лучше рассматривать КП с поглощением и испусканием фотонов (Raman,
EIT, GEM, AFC) и память с оповещением (DLCZ). В качестве перспективных материалов
для КП ДЦР можно использовать, например, холодные атомы и кристаллы с
редкоземельными ионами, а также другие компоненты.
Более детального
рассмотрения инвесторами заслуживает проект в рамках дорожной карты «Квантовые
коммуникации», предназначенный для разработки комплекса КРК с квантовым
повторителем на базе оптической памяти. Ключевыми участниками инновационного
проекта являются ФИЦ «Казанский научный центр РАН» (г. Казань) и ФИЦ «Институт
прикладной физики РАН» (г. Нижний Новгород). Среди перечня первоочередных
научных исследований – не только разработка проекта технического задания с технико-экономическим
обоснованием на проведение ОКР, но и проведение исследовательских испытаний с
разработкой и изготовлением экспериментального образца системы КРК с
недоверенным узлом на базе взаимосогласованной системы устройств оптической
квантовой памяти и источников двухфотонных состояний света, а также изучение
возможности проведения испытаний для уточнения уровня секретности и анализа
степени защиты протокола, разработка программ и методик проведения
исследовательских испытаний с созданием математической модели квантового
повторителя. Ожидается получение КП с отношением сигнал/шум (ОСШ) при работе с
одиночными фотонами (РОФ) не менее 3, с эффективностью функционирования не ниже
20%, с рабочей шириной оптического перехода не ниже 3 МГц, и с временем
хранения информации не менее 1 мкс. Аналогично, для источников перепутанных
фотонов ожидается ОСШ при РОФ не менее 3 со скоростью генерации не ниже 1 кГц,
стабилизацией несущей частоты не хуже 1 МГц и со спектральной шириной не более
10 МГц. В экспериментальном образце повторителя скорость формирования ключа
должна составлять не менее 0.0001 Гц. С точки зрения инвесторов, создание
квантовых повторителей и совершенствование технологии до коммерческого уровня
является наиболее актуальной и фундаментальной задачей в сфере квантовых
коммуникаций, ее практическая значимость определяется возможностью
масштабирования квантовых сетей и создания квантово-сетевых комплексов с
недоверенными узлами. Успех в вопросе конструирования квантовых повторителей
обусловлен прогрессом в сфере создания квантовой памяти и эффективных
узкополосных двухфотонных и/или однофотонных источников, при этом по-прежнему
актуальна задача минимизации рисков угроз от информационных утечек, что
предполагает не только теоретический анализ проблематики безопасности
протоколов квантового повторителя, но и практическую разработку моделей угроз…
Выступление
А.А.Уривского, заместителя генерального директора по науке и инновациям
«Infotecs», было посвящено примерам внедрения и технологическим вызовами при
реализации инвестиционного проекта по внедрению научной разработки по генерации
КРК в промышленность. На этапе 1 «ViPNet Quandor» реализован инновационный
комплексный проект «Разработка и создание высокотехнологичного производства
квантово-криптографической аппаратуры защиты информации» согласно п.п. 218 от
09.04.2010 «О мерах государственной поддержки развития кооперации вузов… и
организаций, реализующих комплексные проекты по созданию высокотехнологичного
производства…» (Министерство образования и науки Российской Федерации). Форма
поддержки проекта – субсидия и софинансирование (инвестирование). Головной
исполнитель – МГУ имени М.В.Ломоносова, индустриальный партнер – «ИнфоТеКС».
Объектами разработки являются аппаратура автоматического КРК,
квантово-криптографический шифратор и производственный участок по их выпуску.
За период с 2017 года по 2019 год инвестиционный проект был реализован. В
результате реализации этапа 1 разработана система автоматического управления
ключами, собран коллектив высококвалифицированных ученых-исследователей и
инженеров, налажено опытное производство в Москве и получено разрешение ФСБ на
опытную эксплуатацию системы.
На этапе 2
«Цифровая экономика» в рамках Федерального проекта «Информационная
безопасность» успешно проведено мероприятие 05.03.001.004.001 «Создание
испытательных лабораторий… с использованием квантовых криптографических
технологий» в заявленные сроки с 2019 года по 2022 год. В ходе реализации
инвестиционного проекта АО «ИнфоТеКС» и ООО «СФБ Лаб» выполнили ряд НИР по
разработке методик исследования/оценки систем КРК. В аккредитованной ФСБ России
лаборатории на проведение сертификационных исследований систем КРК (ООО «СФБ
Лаб») функционирует оптическая лаборатория.
На этапе 3 «ViPNet
QSS» (квантовый телефон) инвестиционного проекта по разработке систем защиты
корпоративных коммуникаций, защищенной телефонии, видеосвязи и месседжинга с
конструированием квантовой топологии «звезда» проведена разработка совместно с
МГУ имени М.В.Ломоносова в период с 2018 года по 2022 год. В результате создан
отдел квантовых технологий, производственная линия в г. Томске и сформирована
первая в России сертифицированная ФСБ России система КРК. Реализован пилотный
инвестиционный проект «Университетская квантовая сеть», в рамках которого
подключен один квантовый сервер, пять квантовых абонентов, двадцать (!)
абонентских пунктов (телефонов) в Москве, среди которых – кампус МГУ имени
М.В.Ломоносова (Ленинские горы), старое здание МГУ имени М.В.Ломоносова на
Моховой улице и офис «ИнфоТеКС» (м. Отрадное). Построена университетская
квантовая сеть (University Quantum Net, UQN), отработан ряд технологий по
проекту.
Наконец, этап 4
«ViPNet QTN» (система доверенных узлов) – это комплексный инвестиционный проект
«Разработка технологии и аппаратуры сетей КРК с использованием доверенных
узлов» согласно п.п. 529 от 30.04.2019 «Правила предоставления субсидий на
возмещение части затрат…» (Министерство промышленности и торговли Российской
Федерации, с середины июля 2022 года Министр промышленности и торговли
Российской Федерации Д.В.Мантуров назначен Заместителем председателя
Правительства Российской Федерации). Форма поддержки инновационного проекта –
субсидия и софинансирование (в частности, инвестирование). Объектами разработки
по проекту являются клиентский, распределительный и магистральный узлы сетей
КРК с 2020 года по 2021 год. В результате разработана система доверенных узлов
для создания сетей КРК произвольной топологии с производством в г. Томске.
Стартом промышленного внедрения является магистральная квантовая сеть РЖД.
Завершая обзор
ряда докладов на международных форумах по проблематике применения квантовых
технологий, необходимо отметить ряд особенностей реализации инвестиционных и
инновационных проектов с субсидией. К несомненным и неоспоримым критическим
достоинствам относится принадлежность исполнителю результатов интеллектуальной
деятельности, вовлеченных в хозяйственный оборот. Вместе с тем, среди неизбежных
рисков при реализации – не только гарантированный успех при реализации инвестпроекта,
но и гигантский объем отчетности, а также плановая коммерциализация результатов
на длительных сроках проекта. Есть и «плохо управляемые» риски, например,
связанные с изменением условий предоставления отчетности и динамической
нестыковкой стратегии компании со статичными условиями договора. Тем не менее,
реализация инвестиционного позволила наладить выпуск инновационной продукции,
реализующей пользовательские сценарии применения систем КРК, которые должны
успешно бороться не только с перспективными уязвимостями, но и с текущими. При
этом важно учитывать, что производство квантовой аппаратуры, квантовых
комплексов и систем предполагает специальные производственные линии, и у систем
КРК, не имеющих сертификата, нет перспектив применения в России и за рубежом!
Выводы и
рекомендации:
Восьмидесятилетие
завершения Битвы на Курской дуге – не только важная веха в истории нашего
государства, развитии и укреплении ее обороноспособности и приумножении ее
военного потенциала! Юбилей Курской битвы – важный этап переосмысления роли
нашей страны в мировых исторических процессах, глубина осознания которых переводит
на качественно более высокое восприятие действительности!! События последних
лет в немеркнущем свете памяти Героев Великой Отечественной войны формируют
успешную долгосрочную выверенную перспективу и стабильное поступательное развитие
страны, одержавшей Незабываемую Бесценную Победу в борьбе с мировым фашизмом!!!
Сага о форсайте в
сфере научно-образовательной, промышленно-технологической,
финансово-экономической, медико-биологической и эколого-энергетической
безопасности в сфере КТ – это многотомное повествование о достижениях ученых из
России и ряда других стран! Для упрочения позиций Российской Федерации как
мирового лидера в сфере КТ и смежных отраслях необходимо значительное усиление
финансирования, в т.ч., институтов РАН и предприятий, производящих ВВТ!! Также
необходимо внесение изменений в законодательную базу для ликвидации как
правовых пробелов, так и внутренних и внешних противоречий для устранения
недоработок в нормативно-правовых документах, в частности, регулирующих производство
киберавтоматов, криптостегоматов и перспективных систем ВВТ с применением КТ.