InnoNews

Наука в деталях | Наперегонки со светом

Борьба с вышками сотовой связи в России всегда носила характер любимой народной забавы, но в последние два года приобрела просто донкихотовский масштаб сражений «с ветряными мельницами». К счастью, никакие страшилки про чипирование через сети 5G не могут остановить научный прогресс. Но если на бытовом уровне беспроводной интернет следующего поколения - это верх технического прогресса, то в конце минувшего года здания московского МГУ уже соединила первая работающая система квантовой связи, а разработчики всех стран соревнуются за пальму первенства в сфере инновационных информационных технологий.


ПОД ЗАЩИТОЙ КВАНТОВОЙ «ЭНИГМЫ»

Впрочем, что есть «голая» технология, пусть даже и вполне себе рабочая, без прикладной периферии? Со времен изобретения телеграфа, а затем и телефонной связи, и до нашего века широкополосного интернет-вещания существует огромная проблема сохранения конфиденциальности передаваемых данных. Есть ли прок от быстро переданного сообщения, когда оно, еще не дойдя до нужного адресата, уже оказалось в руках недоброжелателя? Традиционные шифры всегда могут быть разгаданы, даже путем обычного перебора всех сочетаний цифр, букв и символов. Тайну «Энигмы» во времена Второй Мировой раскрыли разведчики в ходе сложнейшей военной операции, современным ЭВМ на взлом паролей понадобится от силы несколько часов. И здесь на помощь новаторам приходит сама физика процесса.

Эффектом наблюдателя называют теорию, что простое наблюдение за явлением неизбежно изменяет его. В квантовой физике он проявляется наиболее сильно и необычно. Здесь пассивный наблюдатель выступает в роли инструмента измерения, а значит даже не вмешиваясь, воздействует на объект и меняет его физические свойства. А это, в свою очередь, означает, что любое стороннее вмешательство скрыть будет просто невозможно. Сам факт несанкционированного «прослушивания» квантового канала информации запустит процесс квантовой запутанности и содержание секретного сообщения не узнает никто, кроме отправителя.


Над такой вот квантовой «Энигмой» и работает сейчас аспирант Южного федерального университета Вадим Прудников. Как особенно подчеркивает разработчик, он трудится не над самой системой квантовой передачи данных, а над прибором, который надежно защитит условно открытый канал этой системы от любого взлома.

- В 2020 году Фондом содействия инновациям был объявлен конкурс «УМНИК-Цифровая Россия. Ростов-На-Дону», - рассказывает Вадим Прудников. - Под научным руководством доцента кафедры информационной безопасности телекоммуникационных систем, института компьютерных технологий и информационной безопасности Южного федерального университета Антона Павловича Плёнкина, я отправил на конкурс проект под названием «Разработка программно-аппаратного модуля шифрования для систем квантового распределения ключей».


Проект оказался среди победителей и молодой разработчик получил грант от фонда содействия инновациям в размере полумиллиона рублей. В рамках проекта Вадим Прудников разработал и провел исследование алгоритма забора ключей из автокомпенсационной системы квантового распределения ключей - СКРК. Следующим шагом стало написание интерфейса взаимодействия программно-аппаратного шифратора с автокомпенсационной системой квантового распределения ключей. На завершающем этапе разработан образец программно-аппаратного шифратора, использующего квантовые ключи для обеспечения защищенности канала связи телекоммуникационной сети.

________________________________________________________________________
Как работает СКРК? Система квантового распределения ключей - это система состоящая, как правило, из двух устройств удаленных друг от друга и соединенных квантовым каналом, например, специальным оптоволоконным кабелем. СКРК позволяет сгенерировать у удаленных пользователей случайный секретный ключ, который может ими использоваться в алгоритмах шифрования данных. Любая попытка компрометации этого ключа в процессе генерации будет обнаружена пользователями, что позволит предотвратить утечку данных.
________________________________________________________________________



- Одной из проблем классической криптографии является передача ключа стороннему пользователю, - продолжает Вадим Прудников. - В процессе этой передачи он может быть скомпрометирован. Квантовая криптография является перспективным способом решения этой проблемы. Очевидно, если пользователь зашифрует сообщение скомпрометированным ключом, то злоумышленник получит доступ к защищаемой информации. Так как на текущий момент процессы шифрования окружают человека повсюду, начиная от множества сервисов вашего смартфона и заканчивая банковскими системами, то это является проблемой.

По-настоящему безопасная система обмена данными будет стоить триллионы, считают эксперты. И все будут платить за безопасность, уверены они! Мы печемся о защите содержимого своих смартфонов, чего же говорить о госбезопасности и банковских секретах.

- Квантовая связь сейчас настоящий тренд в мировом научном сообществе, - говорит Вадим. - В первую очередь об этом говорит наличие рынка данных систем, он довольно мал, но ряд компаний, в частности из США, Швейцарии, КНР, занимается разработкой, реализацией и продажей, в том числе коммерческих устройств систем квантовой связи. Однако, отечественные разработчики тоже не стоят на месте. Например, компания «ИнфоТеКС», относительно недавно получила разрешение ФСБ России на опытную эксплуатацию квантовой криптографической системы ViPNet Quandor. Помимо этого, на базе волоконно-оптической сети Группы компаний «ЮЛ-ком» была запущена сеть, построенная на основе квантовой криптографической системы распределения ключей ViPNet QSS — совместная разработка компании «ИнфоТеКС» и Центра компетенций НТИ — Центра квантовых технологий физфака МГУ имени М.В. Ломоносова. Причем Россия занимает лидирующие позиции в разработке главного компонента - программного обеспечения. Правда, все «железо» у нас пока импортное, в том числе и компонентная база нашего устройства. Но схема и принцип работы программно-аппаратного модуля шифрования - исключительно авторское ноу-хау! 


В России существует «дорожная карта» по квантовым коммуникациям, идет серьезное развитие этой отрасли на законодательном уровне. Обсуждаются проблемы подготовки специалистов, создание предприятий по производству аппаратных компонентов подобных систем. Среди ученых умов идет настоящая гонка за право стать первооткрывателями и вместе с этим обладателями Нобелевской и прочих премий - в ближайшем будущем технологии, о которых идет речь, могут получить значительное распространение не только в стенах правительств и корпораций, но и на бытовом уровне. По мнению нашего сегодняшнего собеседника это вполне возможно, учитывая увеличение объемов производства компонентов для систем квантовой связи, а также появление новых специалистов. А еще отечественная разработка будет в разы дешевле зарубежных аналогов, хотя сейчас на реализацию рабочего прототипа требуется время и немалые средства. Готовый продукт Вадим Прудников рассчитывает представить уже к концу 2022 года, естественно при благоприятных финансовых возможностях.

- На мой взгляд, серьезным преимуществом российских разработчиков является качество программного обеспечения в данной сфере. Тогда как острой проблемой является практически полное отсутствие отечественной аппаратной базы, - еще раз уточняет ростовский разработчик. - Работа над моим проектом длится около полутора лет, и пройденный путь внушает оптимизм.


ВКЛЮЧИТЕ СВЕТ - ИНТЕРНЕТ НЕ ВИДНО!


Для непосвященного в дебри физики читателя может показаться, что разработка еще одного молодого российского ученого непосредственно относится к теме работы Вадима Прудникова. И здесь и там кванты, фотоны, запредельные световые скорости и прочие чудеса науки.

Сфера научных интересов аспирантки Северо-Кавказского федерального университета Анны Львовой – Li-Fi. Это технология передачи информации с помощью света. Проще говоря - беспроводной интернет но без радиоволн. Включил лампочку в комнате - есть связь! Лег спать в полной темноте - и смартфон тоже «отдыхает» от принятых и отправленных гигабайтов. Преимущества: простота и дешевизна реализации, отсутствие радиодиапазона в технологии, что также означает, что и лицензия на радиосвязь не нужна. Видимый свет не вступает в противоречие с другими электромагнитными частотами, поэтому технологию Li-Fi можно применять на борту самолёта или в медицинских учреждениях. Недостатки тоже есть! Приемник и передатчик должны находится в пределах прямой видимости, а на открытой местности свет солнца может внести помехи.


– Li-Fi – одна из технологий будущего поколения сетей. Ее активно изучают и хотят внедрить до 2030 года. Это как раз дедлайн в научном сообществе для 6G-сетей. Идея создания Li-Fi появилась в 2014 году. Технология может позволить нам использовать ее как для передачи информации, так и в качестве источника света, – пояснила Анна.

Сейчас все больше осветительных приборов работают на LED-лампах. А именно свет от светодиодов в качестве носителя информации и использует Li-Fi. Связь по видимому свету работает путем переключения подачи напряжения на светодиоды на очень высокой частоте, незаметной для человеческого глаза. Но световые волны не могут проникать через стены, поэтому радиус действия Li-Fi невелик. Экран гаджета выступает вторым приемо-передающим устройством. Но как и в случае с системой квантовой связи, оптическая технология так же подвержена атакам извне. Тема диссертационной работы Анны на соискание ученой степени кандидата наук посвящена защите информации от несанкционированного доступа в беспроводных оптических каналах связи, а вдохновили девушку на разработку кинофильмы про хакеров.

– С детства интересовалась компьютерами, нравились фильмы про борьбу с хакерами. После школы поступила на кафедру информационной безопасности автоматизированных систем в СКФУ в Ставрополе. И уже в 2019 году начала работу над собственной диссертацией на основе своей дипломной работы, – рассказывает молодая ученая. - Во время учебы выиграла стипендию от Германской службы академических обменов и стипендию Президента РФ на стажировку в Рурском университете.


В течение года учебы в Германии Анна Львова познакомилась с научными подходами зарубежных коллег, исследованиями в области сетей будущего поколения 5G+, усовершенствовала свой проект с помощью технологии интеллектуальных отражающих поверхностей, которые повышают безопасность передачи данных на физическом уровне. С помощью новейшего оборудования и ведущих специалистов Рурского университета аспирантка разрабатывала математическую модель канала связи и адаптивную систему, которая бы постоянно подстраивала оптимальные для текущей ситуации параметры. Такая система позволяет повысить уровень безопасности передачи данных, но требует сложных вычислений.

По словам ставропольской айтишницы, главное преимущество Li-Fi-сетей - это их безопасность, так как свет не проникает сквозь стены, как радиоволны, которые используются в Wi-Fi. Соответственно и утечка информации значительно минимизируется. А значит, это может стать отличным каналом передачи секретных данных, например между государственными служащими или военными. Поиску надежной защиты байтов, летящих на кончике луча света, и защите научной работы по тематике Анна и посвятит все ближайшее время. Кто знает, может однажды наряду с именами Белла и Морзе в пантеоне славы информационных технологий появится и русская фамилия.

Фото из личных архивов Вадима Прудникова и Анны Львовой