Премия Правительства Москвы каждый год вручается молодым ученым столицы за выдающиеся результаты фундаментальных и прикладных исследований в области естественных, технических и гуманитарных наук, а также разработку и внедрение новых технологий, техники, приборов, оборудования, материалов и веществ, содействующих повышению эффективности деятельности в реальном секторе экономики и социальной сфере города Москвы. Исследователи Университета МИСИС, начиная с 2016 года, ежегодно становятся лауреатами премии.

По итогам 2022 года, победителями конкурса в номинации «Технические и инженерные науки» стали: директор научно-исследовательского центра «Конструкционные керамические наноматериалы» Дмитрий Московских, старший научный сотрудник Андрей Непапушев и научный сотрудник Вероника Суворова за решение фундаментальной проблемы создания новых тугоплавких многокомпонентных керамических материалов, способов их получения, а также установления взаимосвязи между составом материалов и свойствами.

Тугоплавкие керамические материалы используются при изготовлении различных теплонагруженных элементов и конструкций в качестве теплоизоляции и тепловыделяющих элементов. Они обладают высокой эрозионной, окислительной стойкостью и высокими механическими свойствами и способны выдерживать высокоинтенсивные тепловые нагрузки при температурах выше 2000 °С. Интерес к данным материалам и композитам на их основе растёт ежегодно, поэтому ученые активно занимаются вопросом создания новых типов керамик и способов их получения.

Дмитрий Московских пояснил, что такое многокомпонентные или, как их еще называют, высокоэнтропийные керамические материалы: «Такие материалы обычно состоят из 5 и более элементов эквимолярной или почти эквимолярной концентрации каждого из элементов (от 5 % до 35 %). В наших работах мы исследовали такие системы как (TaTiNbZrHf)C и (TaTiNbZrHf)N. Было обнаружено, что данные соединения отличаются более высоким модулем упругости, повышенной твердостью, прочностью, жаростойкостью, низкой теплопроводностью и хорошей радиационной стойкостью при облучении частицами высоких энергий относительно простых карбидов, таких как HfC и ZrC. Из этого становятся очевидными перспективы их дальнейшего практического применения, например, создание сверхизносостойких материалов, режущих инструментов нового поколения, горячих трактов ракетных двигателей, защитных покрытий и изделий, работающих в присутствии радиации или при воздействии высокоэнтальпийных потоков и так далее.»

Научным коллективом были получены и исследованы два класса материалов: карбонитриды HfCN, HfZrCN, HfTaCN и высокоэнтропийные соединения (TaTiNbZrHf)C и (TaTiNbZrHf)N. Как отмечают исследователи, их работу можно разделить на два основных направления: фундаментальные исследования механизмов фазо- и структурообразования в процессе синтеза порошковых материалов и получение компактных высокоплотных изделий тугоплавких керамик и комплексное исследование свойств новых керамик.

«Для получения тугоплавких керамик мы применяли синергетический подход, который включает в себя предварительное активирование порошковых смесей в высокоэнергетической планетарной шаровой мельнице, самораспространяющийся высокотемпературный синтез, а также искровое плазменное спекание. В основе процесса синтеза лежит протекание самоподдерживающейся экзотермической реакции между реагентами, поэтому синтез материалов осуществляется за считанные секунды с минимальными энергозатратами, что является несомненным преимуществом предлагаемой технологии», — отметила Вероника Суворова.

«Наша работа неразрывно связана с принципами умной инженерии: мы имеем возможность „настраивать“ свойства материалов, изменяя их состав и структуру. Например, внедрение атомов азота в карбидную подрешётку HfC и (Ta,Hf)C повышает окислительную стойкость на 40 %, твёрдость на 30 %. Кроме того, мы показали, что температура плавления Hf(C,N) превосходит температуру плавления HfC на 100 °С. Твердость и прочность полученных высокоэнтропийных материалов более чем на 50 % превосходят значения для аналогичных материалов», — рассказал Андрей Непапушев.

По результатам фундаментальных исследований научным коллективом получен патент и зарегистрирован ноу-хау. По словам ученых, следующим шагом исследованийях станет переход от экспериментальных образцов к изделиям.

Исследования проводились в рамках грантов РНФ 19-79-10280 и 18-79-10215.

По данным американского портала Digital Trends, количество пользователей смартфонов в мире в 2020 году достигло 6,1 миллиарда и продолжает расти. Текущие возможности устройств также значительно увеличились: благодаря последним достижениям в области маломощных процессоров мобильные устройства могут выполнять ресурсоемкие операции, что позволяет рассматривать эти устройства как вычислительные платформы.

Пользователи могут подключать свои мобильные устройства — смартфоны и планшеты — к сети в основном для двух целей: получить доступ к сетевым ресурсам и/или сделать ресурсы своих мобильных устройств доступными для пользователей сети. По мнению исследователей из Института информационных технологий и компьютерных наук НИТУ МИСИС, включение мобильных устройств в сетевую и вычислительную инфраструктуру в ближайшее время приведет к появлению новой категории вычислительных систем — мобильной.

«Наша работа посвящена использованию мобильных устройств в качестве поставщиков вычислительных ресурсов. Основная идея проекта заключается в использовании простаивающих вычислительных ресурсов мобильных устройств для различных расчетов, без ущерба для их прямого назначения. Для этого необходима серия различных вычислительных экспериментов для изучения поведения грид-системы, состоящей из разнородных устройств с разной процессорной архитектурой и разными операционными системами, с последующей настройкой различных параметров проекта», — рассказал соавтор работы, доцент кафедры инженерной кибернетики НИТУ МИСИС Илья Курочкин.

Грид-система предполагает объединение персональные устройства и использование их в фоновом режиме, когда они либо стоят на зарядке, либо заряжены на 80-90% и при этом имеют доступ к wi-fi. По словам разработчиков, правильно подобранные параметры распределенной системы могут как повысить уровень использования мобильников для решения задач без существенного влияния на заряд батареи, так и значительно сократить время расчета всего эксперимента.

В результате научный коллектив разработал и рекомендовал параметры прототипа мобильной грид-системы, которая эффективно работает с различными типами персональных устройств.

«Тестовая система сетки была развернута на платформе BOINC. В качестве ее вычислительных узлов могут выступать мобильные устройства, планшеты, а также персональные компьютеры и ноутбуки. Вычислительное приложение при этом доступно для нескольких операционных систем, включая Android. С целью настройки параметров проекта мы провели ряд вычислительных экспериментов на тестовой мобильной распределенной системы. Найденная конфигурация дала возможность сократить время проведения вычислительных экспериментов, а также увеличить процент загрузки устройств и снизить процент просроченных задач», — добавляет Илья Курочкин.

По словам разработчиков, полученные результаты могут быть использованы для масштабных и многомесячных вычислительных экспериментов, например, для глубокого обучения нейросетей, или моделирования свойств новых материалов.

Премия Правительства Москвы каждый год вручается молодым исследователям столицы за выдающиеся результаты фундаментальных и прикладных исследований в области естественных, технических и гуманитарных наук, а также за разработку новых технологий для реального сектора экономики и социальной сферы города. Ученые НИТУ МИСИС, начиная с 2016 года, ежегодно становятся победителями конкурса.

По итогам 2021 года, победителями конкурса стали: научный сотрудник Центра НТИ «Квантовые коммуникации» НИТУ МИСИС Роман Шаховой за разработку оптического генератора случайных чисел и развитие методов извлечения квантового шума из интерференции лазерных импульсов. Инженеры лаборатории «Перспективные энергоэффективные материалы» Занаева Эржена и Андрей Базлов, которые представили проект «Аморфные и нанокристаллические материалы с высокой магнитной индукцией и низкими потерями энергии».

Случайные числа являются неотъемлемой составляющей современных криптографических систем, включающих мобильную связь, безналичные платежи, электронную почту, интернет-банкинг и другие. Во всех этих приложениях необходим доступ к большому числу случайных бинарных последовательностей, для получения которых используются различные генераторы случайных чисел (ГСЧ).

Особое место среди ГСЧ занимают так называемые квантовые генераторы, основанные на оцифровке шумов из квантового источника. Они могут быть использованы в любых криптографических приложениях, даже в таких, к которым предъявляются повышенные требования секретности (например, в банковской или военной сфере).

«Мною был подробно исследован способ генерации случайных последовательностей, основанный на интерференции лазерных импульсов со случайной фазой. Кроме того, был разработан протокол извлечения квантового шума из интерференции лазерных импульсов и написан набор алгоритмов для обработки случайных сигналов, получаемых в результате оцифровки лазерных импульсов; общие результаты интеллектуальной деятельности были сформулированы в виде патентов на изобретение № 2721585 «Устойчивый к атакам квантовый генератор случайных чисел на интерференции лазерных импульсов со случайной фазой и способ его применения» и № 2758889 «Высокоскоростной квантовый генератор случайных чисел на интерференции лазерных импульсов с использованием многоканального аналого-цифрового преобразователя и способ формирования случайной числовой последовательности с его помощью», — рассказал Роман Шаховой.

По словам разработчика, целями дальнейшего исследования станут увеличение скорости генерации случайных битов, уменьшение габаритов устройства и снижение стоимости конечного продукта.

До конца 2022 года он планирует создание нового прототипа устройства квантового генератора случайных числе на переключении поляризации излучения в лазере с вертикальным резонатором. Устройство такого типа потенциально может быть чрезвычайно компактным, размером с мини- видеокарту или даже флэшку. Также в планах у Романа исследования по созданию генератора в интегрально-оптическом исполнении, что позволит сделать его в виде микрочипа.

Разработка Эржены Занаевой и Андрея Базлов относится к области металлургии, в частности к аморфным и магнитомягким сплавам на основе железа. Они получаются в виде тонкой — около 20 микрометров — ленты методом литья расплава и его скоростной закалкой.

«Оптимизация составов и подбор дополнительных легирующих элементов позволили получить составы сплавов системы Fe-Si-B-P-Mo-Cu, имеющих высокую стеклообразующую способность. Максимальная толщина аморфной ленты превышает 30 микрометров, что является достаточным для внедрения в промышленное производство», — рассказала инженер лаборатории «Перспективные энергоэффективные материалы» НИТУ МИСИС Эржена Занаева. — Обоснованный выбор режимов термической обработки разработанных сплавов позволил получить экстремально низкие значения коэрцитивной силы (менее 5 А/м), высокие значения магнитной проницаемости (более 18000), одновременно с высокими значениями магнитной индукции насыщения (до 1,8 T). В результате были разработаны две группы сплавов — одна с аморфной структурой, вторая — с нанокристаллической".

Целью проекта является разработка экспериментального образца устройства квантового распределения ключей шифрования с использованием технологии для «недоверенного» центрального узла. Такой узел не накапливает квантовые ключи шифрования в сети типа «звезда» (с центральным узлом и несколькими подключенными периферийными устройствами связи). Ключ распределяется сразу между периферийными устройствами, что позволяет снизить возможность несанкционированного доступа.

«Новое оборудование, которое планируется спроектировать и создать в рамках проекта, позволит осуществлять построение квантовой сети с топологией „звезда“. Концепция „Звезда“ предполагает, что к недоверенному центральному узлу попарно подключаются периферийные устройства и распределяют квантовые ключи», — рассказал заместитель директора Центра компетенций НТИ «Квантовые коммуникации» НИТУ МИСИС Игорь Павлов.

По словам разработчиков, топологию типа «Звезда» могут реализовывать разные системы квантового распределения ключей. Протокол MDI-QKD уникален тем, что позволяет сделать центральный приемный узел «недоверенным». Это означает, что он не накапливает ключи. Ключ распределяется сразу между периферийными устройствами, что позволяет снизить возможность взлома, поскольку наибольшее количество известных атак на реализацию систем квантового распределения ключей направлены именно на приемники квантовых состояний.

Контракт подразумевает проведение научно-исследовательской работы, в рамках которой сотрудники центра создадут экспериментальный образец, проведут его испытания и оценят возможность и целесообразность создания нового типа оборудования, применяющего технологию распределения квантовых ключей «недоверенным» центральным узлом на основе протокола MDI-QKD (Measurement Device Independent Quantum Key Distribution).

«Цели и запланированные результаты проекта полностью соответствуют плану мероприятий дорожной карты развития высокотехнологичной области квантовые коммуникации по созданию технологий организации „недоверенных“ промежуточных узлов в сетях квантового распределения ключей. Разрабатываемая технология позволит в значительной мере оптимизировать архитектуру квантовых сетей», — сообщил начальник департамента квантовых коммуникаций ОАО «РЖД» Артур Глейм.

ОАО «РЖД» в рамках проекта выступает как заказчик и куратор дорожной карты по развитию квантовых коммуникаций в России, НИТУ МИСИС в партнерстве с компанией QRate являются исполнителем контракта.

«Квантовые системы связи относятся к категории дорогого оборудования, однако у нас уже есть дорожная карта по снижению стоимости подключения и создания многоточечных подключений. В частности, к концу 2022 года мы планируем завершить разработку мини-системы квантового распределения ключей, которой смогут воспользоваться любые компании и домашние пользователи», — отметил Курочкин.

По его словам, эта система представляет собой карту расширения для обычных персональных компьютеров, которая позволяет подключиться к квантовой сети и обмениваться информацией сразу со ста абонентами этой сети. Это выгодно отличает данную систему от большинства существующих решений, обычно представляющих собой подключение типа «точка — точка».

Стоимость одного подключения в такой сети будет составляет примерно $10 тыс., что на порядки меньше, чем затраты на закупку оборудования для уже существующих систем квантовой связи. Как считает Курочкин, это сделает квантово-защищенную связь доступной не только для банков и больших корпораций, но и для бизнеса среднего уровня, а в перспективе и для рядовых потребителей.

При этом ученый отметил, что разрабатываемая в России миниатюрная версия системы квантового распределения ключей почти не будет уступать в дальности работы и скорости обмена информацией уже существующим отечественным и зарубежным решениями. По его оценкам, она сможет поддерживать связь с узлами, удаленными примерно на сто километров.

«В начале текущего века оптоволоконный интернет был запредельно дорог для большинства потребителей, однако буквально через несколько лет его начали бесплатно прокладывать в квартиры без увеличения тарифов. Точно также пройдут два-три цикла удешевления, после которых квантовые коммуникации станут доступными рядовым гражданам для получения банковских и государственных услуг», — подытожил Курочкин.

Опытная квантовая сеть с открытым доступом введена в тестовую эксплуатацию в Москве в сентябре 2021 года. Она соединяет университеты НИТУ МИСИС и МТУСИ и доступна для внешних подключений. С ее запуском в России появилась современная площадка для реализации технологичных инфраструктурных решений в сфере защиты данных с применением квантовой криптографии. Проект реализован членами консорциума Центра компетенций НТИ «Квантовые коммуникации» НИТУ МИСИС: ООО «КуРэйт», ООО «Код Безопасности» и МТУСИ.

Сеть настроена таким образом, что допускается ее использование заинтересованными организациями в первую очередь для разработки современных софтверных приложений в сфере информационной безопасности, основанной на применении квантовых ключей. Результаты будут использоваться в инфраструктурных квантовых сетях, чтобы эксплуатировать их с максимальной пользой и эффективностью.

Премия, включающая 11 номинаций и входящая в список дополнительных мероприятий Года науки и технологий в России, направлена на выявление, поддержку и популяризацию выдающихся технологических проектов, решений и достижений российских компаний, научных центров и образовательных организаций. В текущем году фокусом премии стали поддержка и развитие реализации «проектов-маяков» − стратегических инициатив по созданию в России рынков высокотехнологичной продукции. В финал премии «Технологический прорыв 2021» вышли 35 компаний и 9 вузов.

«Я как законодатель и бывший вице-премьер, который принуждал к внедрению инноваций, рад, что теперь не нужно принуждать, и большинство наших партнеров, наши крупные компании и корпорации сами активно развивают инновации. Наши лучшие наработки должны быть нацелены не только на потребление в РФ, но и становиться мировым брендом, мировым товаром. Мы поддерживаем разработчиков и радуемся не только, когда появляется прототип, но и продажи», — добавил председатель фонда «Сколково» Аркадий Дворкович.

Первая межвузовская квантовая сеть из пяти узлов, расположенных в корпусах университетов НИТУ МИСИС и МТУСИ, была запущена в октябре 2021 года. Она имеет открытую архитектуру и масштабируется по мере появления новых участников. Проект по созданию открытой квантовой сети реализуется участниками консорциума Центра компетенций НТИ «Квантовые коммуникации», действующего в НИТУ МИСИС. Основное преимущество квантовой сети — в ее открытости и экосистемности.

На оптоволокне между доверенными узлами реализуется метод квантового распределения ключей (КРК) со скоростью 30 кбит/с, что позволяет подключить более 10 высокоскоростных шифраторов одновременно. Уже сейчас можно удаленно управлять роботом-манипулятором по оптическому каналу связи, защищенному от атак с помощью технологии квантового распределения ключей.

«Область квантовых коммуникаций и прикладного к нему шифрования квантовыми ключами находится в фокусе внимания экспертов во всем мире. В России есть мощная экспертиза в этой области, и в консорциуме НТИ мы создаем технически не уступающее мировым лидерам оборудование. Например, между доверенными узлами открытой квантовой сети реализуется квантовое распределение ключей (КРК) со скоростью более 30 кбит/с. Премия Технологический прорыв 2021 года — очередное подтверждение наших достижений. Хочется выразить огромную благодарность всем нашим партнерам по строительству квантовой сети — МТУСИ, ООО «КуРэйт» и ООО «Код безопасности», — подчеркнул Игорь Павлов, заместитель директора Центра компетенций НТИ по направлению «Квантовые коммуникации» НИТУ МИСИС.

СПРАВКА:

Впервые «Технологический прорыв» был проведен в 2020 году в формате конкурса. АНО «Платформа НТИ» организовала двухуровневую экспертную оценку проектов (разработок, достижений) Национальной технологической инициативы, на основании результатов которой были определены 11 разработок, ставших знаковыми и демонстрирующих технологический и научный прорыв в развитии Российской Федерации. Первый заместитель Председателя Правительства Российской Федерации А.Р. Белоусов вручил благодарности девяти лидерам проектов НТИ. С результатами конкурса можно ознакомиться по ссылке: https://results2020.nti2035.space

Квантовое распределение ключей (КРК) — метод передачи секретного ключа между двумя сторонами, безопасность которого основана на фундаментальных законах квантовой физики. КРК позволяет создать общий случайный ключ, который известен только передающей и принимающей сторонам, и использовать его для шифрования и расшифровывания сообщений. Важным и уникальным свойством квантового распределения ключей является возможность физически обнаружить, по возросшему уровню квантовых ошибок или другим аномалиям, присутствие третьей стороны, пытающейся получить информацию о ключе.

Создание квантовых сетей связано с рядом проблем: высокой стоимостью устройств КРК и необходимостью обеспечения разумных скоростей передачи секретных ключей между общающимися субъектами. Максимальная скорость передачи сигнала зависит от длины линии и параметров КРК-установки. Она будет «разумной», если будет больше или равна скорости расходования ключа потребителем. В противном случае ключ необходимой длины будет не успевать накапливаться, и передача шифрованных данных будет прерываться на «паузу».

Группа ученых НТИ НИТУ МИСИС, МФТИ и РКЦ предложила решить эти затруднения в развитии сетей КРК за счет использования оптических коммутаторов существующих оптоволоконных сетей, что позволит сократить количество используемых устройств КРК.

«Идея использования коммутаторов заключается в том, что оптические каналы существующей телекоммуникационной структуры очень разнородны с точки зрения потерь, поэтому скорость генерации ключей сильно различается в разных сегментах. Поэтому, по крайней мере, в случае конфигурации магистральной квантовой сети, нет смысла организовывать непрерывную генерацию ключей на всех участках — скорость генерации ключей ограничена самым медленным каналом. Таким образом, использование оптических переключателей в сегментах с низкими потерями может помочь значительно снизить общую стоимость квантовой сети, в то время как скорость генерации секретного ключа остается достаточно высокой», — рассказал соавтор исследования, руководитель лаборатории теории квантовых коммуникаций Центра НТИ «Квантовые коммуникации» НИТУ МИСИС Андрей Тайдуганов.

Исследователи в своей работе представили архитектуру сети КРК, которая основана на использовании оптических переключателей и сокращении количества передающих и в особенности приемных устройств, в которых используются однофотонные детекторы. Они дали соответствующую модификацию сетевого протокола сети, использовав реалистичную протестированную в лабораторных условиях модель работы протокола. С помощью данной модели был произведен расчет скоростей генерации ключа для каждого участка проектируемой магистральной квантовой сети протяженностью 670 км между Москвой и Удомлей (Тверская область), и проведена оптимизация конфигурации сети для обеспечения ее максимальной производительности. В качестве прототипа была собрана сеть из четырех узлов с одним переключателем и разработан сетевой протокол. Работа этой небольшой сети была протестирована в лабораторных условиях: проведено сравнение полученных экспериментальных результатов с предсказаниями разработанной теоретической модели, которое продемонстрировало ее валидность.

Разработчики исследовали возможные схемы сети с различным размещением устройств и предложили несколько конфигураций, которые обеспечивают снижение затрат на 28% на развертывание и обслуживание всей системы без существенной потери общей скорости передачи информации.

Проект по созданию открытой квантовой сети реализуется участниками консорциума Центра компетенций Национальной технологической инициативы (НТИ) «Квантовые коммуникации», созданного на базе НИТУ МИСИС: МТУСИ, ООО «КуРэйт», ООО «Код Безопасности».

«НИТУ „МИСиС“ сегодня — ведущий исследовательский центр России в области квантовых технологий. Научная школа по этому направлению была основана нобелевским лауреатом Алексеем Абрикосовым, более 15 лет возглавлявшим в МИСиС кафедру теоретической физики. В 2011 году по программе мегагрантов Правительства РФ в университете была открыта лаборатория „Сверхпроводящие метаматериалы“, которой руководит ученый с мировым именем, д.ф.-м.н., проф. А. В. Устинов. Именно в этой лаборатории был создан первый в России двухкубитный прототип квантового компьютера. В 2018 году на базе университета был открыт Центр НТИ „Квантовые коммуникации“, который возглавил молодой амбициозный ученый, к.ф-м.н. Ю. В. Курочкин. Центр занимается научными исследованиями, подготовкой специалистов в области квантовых коммуникаций. В этом году ученые Центра совместно с коллегами из МТУСИ, компаний „КуРэйт“ и „Код безопасности“ запустили первую в России квантовую сеть с открытым доступом, которая станет частью проекта по созданию программных решений для защиты информации», — отметила ректор НИТУ МИСИС Алевтина Черникова.

Межвузовская квантовая сеть состоит из пяти узлов, расположенных в корпусах НИТУ МИСИС и МТУСИ, она имеет открытую архитектуру и масштабируется по мере появления новых участников. Доступ к сети получают вузы, научные организации, индустриальные партнеры, государственные учреждения и студенческие стартапы. На базе сети они могут разрабатывать современные софтверные приложения в сфере информационной безопасности с применением квантовых ключей.

«Уникальность первой экосистемной квантовой сети заключается в реализации открытого подхода и создании практической пользы для каждого участника. Так, любой разработчик программных решений в области защиты передачи и хранения информации сможет воспользоваться этой инфраструктурой и отладить свой программный код. Или создать новое приложение, например, для интернета вещей на основе квантовых ключей и здесь же продемонстрировать его потенциальным клиентам. В результате, заказчики инвестируют в полезное программное обеспечение, а это, как следствие, ускорит развитие рынка квантовых коммуникаций», — прокомментировал Юрий Курочкин директор Центра компетенций НТИ «Квантовые коммуникации» НИТУ МИСИС.

Конфигурация квантово-защищенного канала связи соответствует принятой в индустриальных сетях. На оптоволокне между доверенными узлами реализуется метод квантового распределения ключей (КРК) со скоростью 30 кбит/с, что позволяет подключить более 10 высокоскоростных шифраторов одновременно.

«Сегодня у нас важное, историческое событие. Впервые запускается межуниверситетская квантовая сеть с открытым доступом. Для нас, как для ведущего отраслевого университета, очень важно, что российские ученые получают возможность проводить свои исследования в области квантовых коммуникаций на реальной оптической сети. Для операторов связи и производителей телекоммуникационного оборудования с элементами квантовых технологий появляется уникальная возможность тестировать свое оборудование на реальной сети, а не только в лабораторных условиях», — подчеркнул ректор МТУСИ Сергей Ерохин.

Разработчики продемонстрировали, что можно уже сейчас удаленно управлять роботом-манипулятором по оптическому каналу связи, защищенному от атак с помощью технологии квантового распределения ключей. В будущем это позволит передавать, к примеру, конструкторские решения и техническую документацию между географически удаленными производственными площадками и офисами концернов по всему миру.

«Я убежден, что перспективными технологиями в сфере информационной безопасности должны заниматься профессионалы. Лишь синергия ИБ-специалистов, ученых и внимание со стороны государства сможет реализовать потенциал квантовых коммуникаций. Мы рады сделать первый шаг в этом направлении, реализовав проект межвузовского канала связи с квантовым шифрованием», — сказал Андрей Голов, генеральный директор ООО «Код Безопасности».

В планах консорциума Центра НТИ — привлечь новых участников, которые могут подключиться к сети уже с 14 октября. Вместе они смогут доработать архитектуру квантовой сети до «кольца», что даст новые возможности для ее развития. Преимущество такой топологии в том, что при обрыве оптоволокна связность сети не теряется и данные направляются по резервному каналу. Кроме того, на базе «колец» можно строить более сложную по архитектуре городскую сеть, когда один узел работает на множество потребителей — банковские и финансовые организации, телеком-операторов, представителей бизнеса в сфере топливно-энергетического комплекса, транспорта, современных технологий.

«Важно отметить, что удаленный доступ к квантовой сети будет бесплатным и для представителей государства, и для корпоративного сектора, и даже для частного бизнеса. Мы хотим, чтобы протестировать программные решения с использованием квантовых ключей могли все желающие. В будущем подключиться по оптике к сети между НИТУ „МИСиС“ и МТУСИ смогут и другие организации в пределах 100 км. Скорость передачи ключа будет зависеть от качества и новизны оптоволокна. На сегодняшний день мы говорим примерно о 30 кбит/с», — отметил исполнительный директор QRate Павел Воробьев.

Технологию десятикратного продления срока службы детектора одиночных фотонов для квантового канала связи «Земля — Орбита» удалось создать международной группе ученых с участием НИТУ МИСИС. Нагрев при определенных условиях регенерирует дефекты кремниевой основы детектора, полученные в результате облучения аппарата жесткой космической радиацией. Он снижает уровень «шумов», выводящих систему из строя и продлевает жизнь устройства. Результаты работы опубликованы в международном научном журнале EPJ Quantum Technology.

Обмен секретными ключами между пользователями сети связи — это способ безопасно — без подслушивания и утечки информации — обмениваться сообщениями. Если при этом мы используем криптографические протоколы, — мы почти неуязвимы. В обычных криптосистемах используются алгоритмы, обеспечивающие безопасность данных благодаря вычислительной сложности. Однако квантовый компьютер, в принципе, способен взломать и такое шифрование за счет так называемого алгоритма факторизации Шора.

Решение есть — протоколы квантового распределения ключей (КРК). Они используют общедоступные квантовые каналы для тотально защищенной передачи ключей путем обмена квантовыми битами. Эта абсолютная безопасность достигается с помощью теоремы о запрете клонирования: любая попытка измерения квантового бита перехватчиком (подслушивающим объектом) меняет само состояние этого бита. Так, за счет изменения чисто физических показателей нашего сообщения, мы и обнаруживаем присутствие перехватчика в канале связи.

Квантовое распределение ключей между двумя общающимися обычно происходит с использованием фотонов, которые проходят через оптические волокна или в свободном атмосферном пространстве. Оптоволокно ограничено пространством, мы не можем протянуть его через океаны, в отличие от орбитальных спутников, которые способны покрыть всю поверхность планеты. При минимальных потерях качества передачи информации при этом. Если же разместить детектор таких фотонов на спутнике (а не на Земле), то мы еще и облегчим его наведение и упростим необходимые вычисления.

Итак, половина квантовой системы находится на спутнике на расстоянии около 500 км, вторая — на Земле. Дважды в день телескопы можно направить друг на друга и устроить сеанс передачи квантового ключа (случайной последовательности нолей и единиц) в течение 4 минут.

Приемником в системе является детектор одиночных фотонов. В его основе — кремниевые лавинные фотодиоды. Регистрация одиночных фотонов на спутнике — это ключевой момент системы КРК. Однако у детекторов есть существенный, критически важный минус — они очень чувствительны к солнечной радиации и повреждаются ей. В результате образуется повышенный энергетический «шум», который может искажать работу системы, в итоге низводя на «нет» саму регистрацию квантового ключа. Однако, решение проблемы найдено российскими и канадскими учеными и в данном случае.

«Мы показали, что термический отжиг кремниевых пластин эффективен при поддержании паразитного „шума“ на уровне, подходящем для квантового распределения ключей в течение всего периода работы спутника, — рассказал соавтор исследования профессор НИТУ „МИСиС“ Вадим Макаров.

В работе мы изучили две стратегии — отжиг через фиксированные отрезки времени, и отжиг только тогда, когда тепловой „шум“ превышает определенный предел. Обнаружено, что обе стратегии демонстрируют приемлемый уровень помех в конце срока службы с небольшим преимуществом отжига при определенных условиях».

Оказалось, что дефекты пластины, созданные жесткой орбитальной радиацией, можно чинить, нагревая их на короткое время — реализуя отжиг. Делается это при помощи так называемого холодильника Пельтье. Обычно в устройстве детектора он работает, создавая температуру −80 градусов Цельсия. Если включить его в обратный режим и нагреть пластины детектора до + 80 градусов, дефекты сами затягиваются.

«Мы не знаем точно, что там происходит внутри, но результаты опытов показали, что во время нагревания — отжига — дефекты частично „залечиваются“. Таким образом, количество паразитных шумов в детекторе уменьшается до приемлемого уровня», — поясняет Вадим Макаров.

Задача — чтобы спутник проработал на орбите как можно дольше. По словам ученых, в реальности при существующей радиации получается всего около года. А если его периодически, при необходимости, отжигать — можно продлить срок службы устройства до 10 лет. Важно, что делается это стационарно — на спутник удаленно подается команда, и электроника переключает встроенный холодильник в обратный режим, ремонтируя накопившиеся в детекторе дефекты.

Разработчики отмечают, что делать это необходимо регулярно: «Мы следим за уровнем шума и производим отжиг, когда детекторы стали слишком «шумными».

Лабораторные опыты в рамках исследования научный коллектив проводил на ускорителе частиц, который имитирует фотонный поток и создает необходимый уровень «шума». Ускоритель сгенерировал поток протонов, который в космосе набирается за 10 лет. В случае опытов это произошло за 2 минуты.

Первый тестовый запуск спутника с детектором одиночных фотонов, который в настоящий момент создается в Канаде, запланирован на 2023 год.

Среди инноваций, с которыми можно было ознакомиться на стенде НИТУ МИСИС — уникальный материал, способный выдерживать температуры свыше 2000 °С, для использования в аэрокосмических аппаратах. Также университет представил ряд других уникальных разработок для летательных аппаратов последнего поколения, позволяющих управлять электромагнитным излучением, повысить коррозионную устойчивость материалов, существенно уменьшить вес готовых деталей и даже снизить объем вредных выбросов в атмосферу. Всего университет в этом году представил 19 перспективных технологий, разработанных совместно с индустриальными партнерами.

В рамках деловой программы МАКС-2021 НИТУ МИСИС, являющийся лидером в области аддитивных технологий в России, выступил организатором III Международной конференции «Аддитивные технологии для аэрокосмоса 2021». Программа конференции собрала ведущих специалистов в области аддитивных технологий из российских и зарубежных вузов, компаний и бизнес-сообществ. Аддитивные технологии — это отличный пример того, насколько далеко шагнуло человечество в разработке новейших решений в сферах авиации и космонавтики. Критические значения механической нагрузки и температуры для конструкции и материала, детали сложной геометрии в составе изделий, растущая конкуренция в авиакосмической отрасли — все эти факторы обусловили огромный потенциал применения аддитивных технологий в авиа- и ракетостроении.

Внедрение аддитивных технологий в производственный процесс позволяет снизить стоимость производства элементов ракетно-космического комплекса, сократить количество операций сборки и циклов испытаний, снизить вес элементов конструкций и увеличить срок эксплуатации космических аппаратов. В настоящий момент наиболее широко аддитивные технологии применяются в ракетном двигателестроении. Стоимость двигательной установки составляет от 40 до 60% стоимости ракетоносителя, и использование аддитивных технологий позволяет, по оценкам специалистов, снизить стоимость ее производства примерно на 30 процентов.

При этом дальнейшее развитие аддитивного производства в аэрокосмической отрасли осложняется отсутствием полноценной базы данных, которая включала бы в себя каталог существующих материалов и технологий, сведения о результатах их испытаний в различных условиях и эксплуатационных качествах. Как подчеркнул Денис Пудков, заместитель директора департамента реализации программы создания космического ракетного комплекса сверхтяжелого класса ГК «РОСКОСМОС», без участия ведущих университетов создание такой «библиотеки» аддитивных технологий невозможно.

«Для того, чтобы создать что-то новое, необходимо каталогизировать те технологии и системы, которые уже используются. Необходимо наполнение статистическими данными, данными о характеристиках, поведении материалов, причем не только сразу после синтеза, но и по результатам пролонгированных испытаний. Вот эта статистическая база, которая по традиционным технологиям нарабатывалась веками, сегодня должна создаваться с участием высшей школы. Необходимо определить наиболее важные, критичные направления, и начать по ним нарабатывать такую статистику, потому что без нее невозможно создавать стабильную, предсказуемо функционирующую технику. А в условиях космоса предсказуемость и надежность зачастую оказываются важнее каких-то прорывных тактико-технических характеристик», — отметил господин Пудков.

Важность сотрудничества с ведущими университетами отметил также Владимир Королев, заместитель генерального директора по разработке продуктов ООО «РусАтом — Аддитивные Технологии». Он рассказал об инновационных разработках, которые ведутся в сотрудничестве с российскими вузами. Сергей Поляков, директор бизнеса порошковой металлургии УК «РУСАЛ», в свою очередь напомнил, что в НИТУ МИСИС действует совместный с РУСАЛ Институт легких материалов и технологий (ИЛМиТ). На базе ИЛМиТ создан центр аддитивного производства РУСАЛ, которые включает в себя полный замкнутый технологический цикл начиная от создания новых алюминиевых материалов и технологий производства заканчивая разработкой технологий печати и пост-обработки изделий.

По итогам мероприятия был достигнут ряд договоренностей с ведущими промышленными компаниями, включая соглашение о совместной работе с АО «Казанский вертолетный завод» по внедрению литейных технологий магниевых сплавов. С ПАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА» было достигнуто соглашение о совместной подготовке кадров, с компанией Dassault Systems — по комплексному взаимодействию в области внедрения программного обеспечения в подготовке магистрантов. Также было подписано соглашение о сотрудничестве с российским представительством ESI Group по проекту создания на базе НИТУ МИСИС цифрового симулятора работы 3D-принтера.

Программа МАКС 2021 включала в себя шесть круглых столов по актуальным для развития аэрокосмической отрасли вопросам, организованных НИТУ МИСИС совместно с индустриальными партнерами. Так, в день открытия авиасалона прошел круглый стол «Литейные технологии в производстве отливок из лёгких магниевых сплавов на базе инновационных технологий» с участием представителей индустриальных партнеров университета, таких как ПАО «Авиационная корпорация «Рубин», ОК «РУСАЛ», OOO «Кингисеппский машиностроительный завод» и др. При участии представителей ОК «РУСАЛ» прошел также круглый стол «Алюминиевые сплавы в авиации», на котором с докладами выступили ведущие эксперты отрасли.

Среди мероприятий, организованных НИТУ МИСИС, особое внимание профессионального сообщества привлек круглый стол «Квантовые технологии для авиации», на котором эксперты обсудили перспективы применения квантовых технологий в авиакосмической отрасли. В перспективе квантовые технологии способны взять на себя массу задач: начиная от оптимизации загрузки багажа до разработки новых материалов.

«Если мы говорим о квантовых коммуникациях, то нам сразу очевидно, что спутники подходят для того, чтобы установить на них систему квантового распределения ключей, потому что за счет спутника можно создать квантовый интернет. Что мы можем дать авиакосмической отрасли? Авиакосмическая отрасль для квантовых вычислений стоит в одном ряду с банкингом и другими отраслями, где требуется большой объем вычислений», — отметил Илья Беседин, инженер лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ МИСИС.

Несмотря на то, что квантовые вычисления постепенно выходят из лабораторий в прикладную область, наибольший интерес для авиакосмической отрасли все же представляют квантовые коммуникации, поясняет Юрий Курочкин, директор Центра компетенций НТИ «Квантовые коммуникации», действующего на базе НИТУ МИСИС.

«В части подготовки кадров и получения образования НИТУ „МИСиС“ — лучшее место, чтобы познакомиться с квантовыми коммуникациями. Мы построили большую лабораторию, куда могут прийти специалисты по информационной безопасности, связисты, и понять, как работает квантовая криптография, понять, что это — не магия, а набор строгих протоколов и стандартных телекоммуникационных элементов, которые собираются в квантовые эффекты, и где собственно переходит этот переход от классики к квантам», — пояснил Юрий Курочкин.

Отметим, что центр НТИ «Квантовые коммуникации» активно привлекает в консорциум, в том числе, коммерческие организации. В их числе — ООО «КуРэйт», которая не так давно совместно с казанским Иннополисом успешно интегрировала оборудование для квантового шифрования ключей в беспилотные аппараты.

По словам Юрия Курочкина, директора центра компетенций НТИ «Квантовые коммуникации» НИТУ МИСИС, квантовая криптография перспективна в первую очередь с точки зрения защиты каналов связи, по которым передается значимая информация. При этом по мере развития цифровых технологий и дальнейшей цифровизации повседневной жизни граждан области применения оборудования для квантового распределения ключей шифрования будут расширяться. Так, они могут использоваться для защиты беспилотного транспорта от массового взлома, уверен ученый.

Квантовое распределение ключей — это метод передачи ключа шифрования, который использует квантовые явления для гарантии безопасной связи. Он позволяет двум сторонам, соединенным по открытому каналу связи, создать общий случайный ключ, который известен только им.

Российские ученые предложили новый, более устойчивый к внешним воздействиям алгоритм коррекции ошибок с использованием так называемых полярных кодов. Применение полярных кодов позволяет устройствам для квантового распределения ключей стабильно работать в условиях реальной жизни под воздействием различных факторов окружающей среды. Как пояснил Юрий Курочкин, за счет использования полярных кодов работа системы не поддается влиянию скорости ветра, осадков, повышения или снижения температуры.

На эффективность систем квантового распределения ключей значительное влияние оказывает также так называемая «классическая постобработка» — набор мер, направленных на исправление возможных ошибок в квантовых ключах, и исключение из них потенциально доступной злоумышленнику информации. Российским ученым удалось добиться более высокого уровня эффективности алгоритмов классической постобработки. Именно в этой области был обновлен мировой рекорд.

Разработанный исследователями метод распределения квантовых ключей позволяет надежно хранить значимые данные в течение очень продолжительного периода времени. При этом риск несанкционированного доступа к ним злоумышленников сведен к нулю. Также эта технология позволяет обеспечить надежную защиту переговоров на самом высоком уровне.

Ученые НИТУ МИСИС, Российского квантового центра в составе международной исследовательской группы разработали самый быстрый и доступный квантовый генератор случайных чисел. Созданное устройство генерирует случайные числа со скоростью 8.05 Гб в секунду и подтверждает их случайный характер в режиме реального времени. Технология может лечь в основу производства коммерческих генераторов случайных чисел, применяемых в криптографии и для моделирования сложных систем. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review X.

Генераторы случайных чисел — важная составляющая многих алгоритмов, включая алгоритмы шифрования и численного моделирования. Они также используются при разработке компьютерных игр и игровых автоматов. Использование генерации случайных чисел позволяет создавать «ключи» шифрования для защиты информации при ее передаче. Кроме того, генераторы случайных чисел могут существенно повысить возможности искусственного интеллекта.

При этом несмотря на то, что генерируемые компьютером числа могут казаться случайными на первый взгляд, действительно случайными их назвать нельзя. Это значит, что во многих случаях предсказать, какое число выдаст компьютер, все же возможно. Таким образом, неслучайная природа случайных чисел является фактором риска при создании шифровальных протоколов для защиты информации.

В поисках решения данной проблемы ученые все чаще обращаются к методам квантовой механики, так как результаты квантовых измерений невозможно с уверенностью предсказать, что позволяет генерировать числа, которые можно назвать истинно случайными. Новый метод генерации истинно случайных чисел, предложенный учеными НИТУ МИСИС, РКЦ, Окфордского университета, Голдсмитского колледжа и Свободного университета Берлина, основан на использовании квантовых свойств фотонов. Числа, которые производит разработанный ими оптический генератор, в режиме реального времени проходят сертификацию, чтобы подтвердить квантовый характер процесса их генерации.

«Квантовые процессы позволяют генерировать числа, случайность которых гарантируется законами физики. Разрабатываемые на квантовых принципах устройства для генерации случайных чисел имеют ряд важных практических приложений», — подчеркивает Алексей Федоров, один из авторов исследования, руководитель научной группы РКЦ, эксперт Центра НТИ «Квантовые коммуникации» НИТУ МИСИС.

В ходе эксперимента ученые направляли излучение от источника, который считается недоверенным, на один из двух входных портов светоделителя, при этом второй порт оставался пустым, «принимая» на вход вакуум. У выходов светоделителя были установлены детекторы, фиксировавшие число попадающих в них фотонов. Поскольку каждый фотон, приходящий на симметричный светоделитель, с одинаковой вероятностью может быть обнаружен в одном из двух выходов светоделителя, разницу в количестве фотонов, приходящих на детекторы, невозможно предсказать — она является случайной величиной.

Чтобы убедиться в надежности такого способа генерации случайных чисел, исследователи измеряли также количество фотонов во входящем источнике света. Их не должно быть слишком мало — в таком случае количество возможных непрогнозируемых событий будет недостаточным для подтверждения истинного характера случайности. Их также не должно быть слишком много, иначе детекторы будут переходить в насыщение, и результаты измерений станут прогнозируемы.

В ходе эксперимента ученые создали устройство, которое не только генерирует случайные числа со скоростью 8.05 Гб в секунду, что делает его самым быстрым из подобных устройств, но и гарантирует случайный характер этих чисел в режиме реального времени. Созданные до этого прототипы подобных устройств имели скорость на несколько порядков ниже. Для эксперимента была создана специальная система для быстрой постобработки результатов измерений. По мнению авторов исследования, за счет такого процесса сертификации в сочетании с использованием доступных компонентов, разработанная ими технология может лечь в основу производства коммерческих генераторов случайных чисел, имеющих широкую область применения. Высокая скорость работы, практичность и надежность могут обеспечить устройству широкое применение в криптографии, информатике, статистике, научных исследованиях и других областях.

Так, недавно компания Samsung представила мобильный телефон с квантовым генератором случайных чисел, что указывает на востребованность данной технологии на массовом рынке.

Фотон — элементарная квантовая частица электромагнитного излучения или, иначе говоря, света. Насколько важные и разноплановые функции выполняет излучение того или иного спектра, настолько же интересные применения можно найти для одиночных фотонов этого излучения. Например, имея возможность отследить отдельные кванты инфракрасного света, можно существенно повысить безопасность линий связи, точность измерительных приборов.

Эта идея не нова — первые попытки детектировать фотоны «поштучно» предпринимались еще в начале XX века на электронных лампах — фотоэлектронных умножителях. Однако первые приборы, в силу слабой технологической составляющей, работали медленно, иногда не срабатывали, а иногда срабатывали ложно. Потом появились полупроводниковые приборы — лавинные фотодиоды, которые работали лучше, но только с видимым светом. Существенный прорыв в инфракрасный диапазон произошел в начале 2000-х годов — тогда команда российского физика Григория Гольцмана, основав компанию «Сконтел», создала однопиксельный счетчик одиночных фотонов на сверхпроводниках.

Сейчас, в 2020 году, уже в составе Центра НТИ «Квантовые коммуникации» НИТУ МИСИС по заказу Минпромторга РФ, команда разрабатывает 1000-пиксельный видеодетектор одиночных фотонов. Устройство, не имеющее аналогов в мире, позволит не только детектировать частицы, но и получать изображение в почти полной темноте. На данный момент завершен первый этап, создано 8 пикселей. По словам ученых, это количество уже позволяет понять и контролировать принципы работы матрицы, дальнейший вопрос — в масштабировании.

«Сам счетчик находится внутри криостата при температуре всего 2 Кельвина, что близко к абсолютному нулю. При детектировании фотона он посылает сигнал на схему обработки, и на дисплее возникает изображение», — рассказывает Григорий Гольцман, главный научный сотрудник лаборатории «Квантовые коммуникации» Центра НТИ НИТУ МИСИС, основатель компании «Сконтел».

Следующий будущий наш шаг — из матрицы в 1000 пикселей получить изображение в 1 000 000 пикселей. Можно «открывать» по одному пикселю, как в старых телевизорах, но это будет очень медленно. Поэтому для дальнейшего масштабирования получившегося изображения, его пропускают через специальные паттерны.

«Есть способ ускорить процесс — открывать пиксели группами. Для этого применяются специальные трафареты. Открываете один паттерн, измеряете, сколько света попадает на детектор, дальше — второй паттерн, и так далее», — рассказывает Александр Корнеев, старший научный сотрудник лаборатории «Квантовые коммуникации» Центра НТИ НИТУ МИСИС.

Как отмечают, конечное устройство найдет свое применение в самых высокотехнологичных областях: при создании защищенных линий квантовой коммуникации, в том числе и спутниковых каналов связи, при проектировании квантового компьютера на фотонах, а также в диагностических медицинских приборах.

Эта персональная награда ежегодно присуждается в рамках Международного симпозиума по изучению сложных полупроводников (International Symposium on Compound Semiconductors), который проводится уже почти 50 лет. Каждый год вручается только три премии — по числу номинаций — молодым ученым, за открытия в области классических сверхпроводников и в области квантовой физики. Среди призеров прошлых лет — множество выдающихся ученых, в том числе и Нобелевские лауреаты.

В этом году конференция была отменена, однако комитет все равно присудил награды, и премию за достижения в области квантовой физики получил Алексей Кавокин, ведущий научный сотрудник «Лаборатории элементной базы квантовых коммуникаций» Центра НТИ «Квантовые коммуникации» НИТУ МИСИС, руководитель научной группы Российского квантового центра, профессор университета Уэстлейк в Ханчжоу (Китай). Физик удостоился этой награды за ряд теоретических предсказаний, проложивших дорогу для создания нового типа лазеров со сверхнизким порогом накачки.

Эти излучатели построены на базе так называемых поляритонов. Так ученые называют виртуальные частицы, которые одновременно ведут себя и как волна, и как частица. Поляритоны состоят из трех компонентов: атома и электрона, периодически поглощающих и излучающих фотон, самой световой волны, а также оптического резонатора, набора зеркал, не позволяющего свету «сбежать» из поляритона.

В прошлом физики считали, что подобные структуры могут существовать лишь при температурах, близких к абсолютному нулю, однако профессору Кавокину удалось показать, что они могут возникать и при комнатной температуре. Это открытие позволило российским и зарубежным физикам три года назад создать первый «управляемый» поляритонный лазерный диод, работающий при комнатной температуре.

Теории и открытия Алексея Кавокина позволили России стать одними из главных лидеров в данной области физики, а также создать серьезный задел в исследованиях, связанных с комнатной сверхпроводимостью и квантовыми вычислениями, в том числе в рамках программы мегагрантов и других крупных научных инициатив правительства.

За каждым процессом отправки и получения информации в современном мире стоит криптография — система шифрования данных, обеспечивающая их безопасность. Наиболее часто встречается так называемое асимметричное шифрование, в котором используются не один секретный ключ, а два: открытый и закрытый. Закрытый (секретный) ключ хранится только у одного из участников криптографической системы, который хочет получить зашифрованное сообщение. Для этого он отправляет по обычному (незасекреченному) информационному каналу открытый ключ, который используется для того, чтобы зашифровать сообщение. Чтобы расшифровать сообщение недостаточно иметь только открытый ключ — нужно знать еще и закрытый ключ.

Эта ситуация аналогична тому, как если бы человек, желая получить секретное послание, раздавал всем желающим небольшие замки, но не давал бы никому ключи к этим замкам. Каждый, кто захотел бы поделиться с ним своим секретом, мог бы положить секретное послание в шкатулку и запереть ее этим замком. Очевидно, что теперь никто, кроме него, не сможет открыть шкатулку и прочитать секретное сообщение, даже если шкатулка попадет в руки злоумышленника.

Система асимметричного шифрования, опирается на недоказанное математическое утверждение о невозможности за полиномиальное время разложить целое число на простые сомножители. Поэтому считается, что мощности современного компьютера не хватит для взлома такой системы, однако такие возможности могут в ближайшем будущем появиться у квантового компьютера. Это ставит под сомнение безопасность классических методов криптографии в приближающуюся эпоху квантового превосходства.

В противовес возможным технологиям квантового взлома учеными активно разрабатываются и внедряются методы квантовой криптографии — шифрования, основанного не на компьютерных алгоритмах, а на законах квантовой механики. Системы квантовой криптографии решают задачу безопасного распределения секретного ключа между участниками криптографической системы. Секретный ключ передается по оптическому каналу с помощью одиночных фотонов. Согласно законам квантовой механики, злоумышленник не сможет незаметно перехватить отдельные фотоны, так что при любой его попытке узнать секретный ключ, система будет сигнализировать об опасности. Помимо источника и детектора одиночных фотонов, важным элементом системы квантовой криптографии является так называемый квантовый генератор случайных чисел. Поскольку, перехватить одиночные фотоны злоумышленник не может, то он может попытаться провести атаку именно на этот элемент системы. Ученые консорциума Центра компетенций НТИ «Квантовые коммуникации» (НИТУ МИСИС, компания QRate и Российский квантовый центр) разработали способ повысить уровень защищенности систем квантовой криптографии при помощи особого алгоритма, позволяющего обнаруживать атаки именно на квантовый генератор случайных чисел.

Для генерации случайных битовых последовательностей ученые предложили использовать шумы, возникающие в полупроводниковом лазере и связанные со спонтанным излучением. Поскольку спонтанное излучение обусловлено так называемыми нулевыми колебаниями электромагнитного поля, то можно утверждать, что такие шумы в лазере имеют чисто квантовую природу, а поэтому их принципиально невозможно научиться предсказывать и, что самое главное, они оказываются невосприимчивы к любым попыткам «подчинить» их внешнему контролю. Однако, поскольку непосредственно использовать эти шумы без обычных (классических) измерительных приборов нельзя, то квантовые шумы оказываются «загрязнены» классическими шумами, которые злоумышленник потенциально может использовать для того, чтобы скомпрометировать случайные биты, получаемые с помощью этих шумов.

Ученые из QRate и НИТУ МИСИС разработали протокол, который позволяет «на лету» оценивать вклад классических шумов и определять таким образом уровень потенциальной угрозы. Более того, предложенный ими протокол позволяет преобразовывать выходную случайную битовую последовательность в «истинно квантовую» без использования сложных алгоритмов постобработки, таких как хэширование, которые обычно применяются для этих целей.

По словам разработчиков, их алгоритм уже сейчас можно применять в существующих и проектируемых квантовых генераторах случайных чисел для установок квантовой криптографии.

Центр компетенций НТИ «Квантовые коммуникации» был создан в 2018 году НИТУ МИСИС и Российским квантовым центром. В состав консорциума также вошли Математический институт имени Стеклова, РАНХиГС, ТГУ, а также малые инновационные предприятия, специализирующиеся на квантовых коммуникациях, в том числе компания QRate.