Квантовый ключ по обычному каналу

Тестирование решения «ИнфоТеКС» по применению квантового распределения ключей (КРК) впервые проведено на испытательном стенде «Ростелекома». Зафиксировано, что системы КРК работали корректно одновременно с передачей по DWDM-каналам классических данных как в прямом, так и в обратном направлениях.

«Проект очень важен с точки зрения приближения внедрения в России коммерческих сервисов с квантовой защитой информации на уже действующих ВОЛС со спектральным уплотнением, — рассказал “Стимулу” директор квантовых проектов “Ростелекома” Сергей Ханенков. — Подобные проекты реализованы в мире, и нам было очень интересно практически испытать на нашем полигоне решение “ИнфоТеКС”. Результаты достойные».

Прототип системы разработали специалисты «ИнфоТеКС» на основе квантовой криптографической системы выработки и распределения ключей с топологией «звезда» ViPNet QTS Lite. Для тестирования использовалась действующая ВОЛС с типовым оборудованием DWDM, применяемым на сети «Ростелекома». Технология DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing, «плотное спектральное мультиплексирование») позволяет, используя различные длины световых волн, передавать по одному оптическому волокну несколько десятков информационных каналов одновременно.

В ходе испытаний была проверена передача квантовых ключей на расстояние до 40 км с мощностью излучения, которая эквивалентна 20 DWDM-каналам передачи данных. Полученные результаты свидетельствуют, что системы КРК можно применять в современной волоконно-оптической инфраструктуре без необходимости выделения отдельного волокна для выработки квантовых ключей.

Эксперты считают, что квантовые коммуникации обеспечивают наивысшие из существующих на сегодня степень безопасности передачи данных и защиту от внутреннего нарушителя. Технология основана на фундаментальных законах квантовой физики, которые невозможно обойти. Для обмена ключами шифрования в технологии используются одиночные фотоны, состояния которых безвозвратно меняются, как только кто-то попытается их «прочитать». Любая попытка перехвата квантовых ключей будет тут же обнаружена и пресечена.

«Пока в России перспективные квантовые коммуникации и проекты реализуются на базе и с использованием выделенных оптических волокон. Основное преимущество предложенного решения заключается в том, что применяется уже существующая, ранее созданная ВОЛС с DWDM. Это, с одной стороны, снижает затраты на создание и эксплуатацию квантовых коммуникационных сетей, а с другой — упрощает их интеграцию в существующую инфраструктуру оператора связи и тем самым ускоряет процессы создания таких сетей», — отметил Сергей Ханенков.

Руководитель Центра научных исследований и перспективных разработок АО «ИнфоТеКС» Владимир Елисеев и директор проектов ПАО «Ростелеком» Сергей Ханенков на Третьем Всероссийском форуме «Доверенные квантовые технологии и коммуникации. КВАНТ 2025»; Владимир и Сергей являются кураторами проекта испытаний квантовой защиты на действующей ВОЛС со спектральным уплотнением каналов

«КВАНТ — 2025»

Квантовые железные дороги

Высокотехнологичное направление квантовых коммуникаций является частью национальной программы «Цифровая экономика», ответственным за реализацию мероприятий дорожной карты назначено ОАО «Российские железные дороги». По заказу компании была разработана методика совместной передачи квантовых и информационных каналов в одном оптическом волокне. В частности, изготовлен экспериментальный образец комплекса квантового распределения ключей и передачи информации со скоростью 10 Гбит/с в одном оптическом волокне на расстояние более 50 км с 16 информационными каналами.

На IV Конгрессе молодых ученых, который прошел в конце ноября на федеральной территории «Сириус», о значении квантового проекта для компании рассказал заместитель генерального директора ОАО «РЖД» Евгений Чаркин.

«Многие удивляются: где квантовые коммуникации, а где РЖД? На самом деле все очень просто, — пояснил он. — У нас крупнейшая в стране производственно-технологическая сеть связи, которая насчитывает более 320 тысяч километров линий и более 300 тысяч устройств связи. Одно из важнейших направлений нашего технологического развития — это беспилотное движение поездов, виртуальная сцепка, которая действует на Восточном полигоне. Это те технологии, которые очень чувствительны к защите информации. Поэтому от того, насколько мы готовы к появлению новых вызовов, зависит наше технологическое лидерство, наша безопасность».

Специалисты РЖД уже накопили большой опыт в этой области. Первую линию квантовой связи между Москвой и Санкт-Петербургом протяженностью 707 км компания построила в 2021 году. В следующем году добавились еще 440 км, и к концу 2023-го протяженность линий составила 3295 км, они соединили Санкт-Петербург, Москву, Нижний Новгород, Ростов-на-Дону, Казань, Воронеж, Волгоград. В прошлом году к квантовой сети присоединены Сочи, Самара, Саратов, Челябинск и Екатеринбург. К 2030 году магистральная квантовая сеть будет доведена до Владивостока.

Заместитель генерального директора ОАО «РЖД» Евгений Чаркин

Пресс-центр ОАО «РЖД»

«Темные» и «светлые» волокна

Компания «ИнфоТеКС» поставила оборудование КРК на магистральную сеть РЖД на участок Москва — Сочи с ответвлением на Волгоград. В состав вошли более 50 ПАК ViPNet РУКС (распределительный узел квантовой сети), шесть высокоскоростных шифраторов ViPNet L2Q-10G (скорость шифрования в дуплексе — до 20 Гбит/с) и вспомогательные компоненты. Для соединения ПАК ViPNet РУКС применяется одно оптоволокно без передачи сигнала (так называемое темное волокно), используемое в монопольном режиме для квантового распределения ключей. В таком режиме возможно распределять квантовые ключи на расстоянии до 100 км.

Технологии всегда развиваются поступательно — от более простых к более сложным и совершенным. За винтовыми авиадвигателями последовали реактивные, а не наоборот и не одновременно. Точно так же, по словам экспертов «ИнфоТеКС», первое поколение сетей КРК создается на волоконно-оптических линиях с монопольным использованием волокна. В частности, известная общенациональная сеть КРК в Китае построена на основе линий с монопольным использованием волокна.

«Второй этап развития технологии — это более экономичное использование ценного ресурса — проложенных волоконно-оптических линий, — пояснили специалисты “ИнфоТеКС”. — Наши исследования показывают, что возможно распределить квантовые ключи на расстоянии до 50 километров, при том что волокно будет продолжать штатно использоваться для передачи данных в режиме с частотным уплотнением — DWDM. На профессиональном жаргоне это называется режимом работы системы КРК в “светлом” волокне. К настоящему времени момент мы провели исследование на макете системы КРК и далее, рассчитывая на интерес заказчиков из телекоммуникационной отрасли, планируем разработать опытный образец новой версии ПАК ViPNet QTS, адаптированной под линии с DWDM».

Как отмечают эксперты «ИнфоТеКС», говорить о безоговорочном преимуществе какого-то одного из этих двух подходов нельзя. Монопольное использование оптоволокна обеспечивает большее расстояние между узлами квантовой сети (до 100 км), хотя волокна в магистральных оптических сетях стоят дорого. Дальность системы КРК на волокне, в котором уже передаются данные, ограничена расстоянием 50 км. Это ограничение возникает из-за того, что передаваемые в DWDM данные занимают диапазон длин волн 1525‒1565 нм, в котором оптические потери минимальны. Квантовый канал в этом случае занимает длину волны 1310 нм, на котором потери выше. При монопольном использовании волокна системы КРК работают на длине волны 1550 нм.

Системы КРК, работающие в «темном» и «светлом» волокне, логично дополняют друг друга. Для магистральных сетей КРК лучше всего подходят первые, а для региональных и городских — вторые. Кроме отсутствия необходимости в прокладке дополнительного оптоволокна или проведения работ по сварке в единую линию ранее проложенного волокна (а это еще и оптические потери на каждой сварке) есть неочевидные преимущества при внедрении КРК с поддержкой DWDM на городских оптических сетях. Например, при развертывании такой сети нет необходимости в работах, требующих согласований владельца инфраструктуры для допуска в канализационные колодцы и метрополитен, где обычно протянуты кабели оптической сети, — достаточно установить дополнительное оборудование в узлах связи. По линии с частотным уплотнением сети КРК проще «зайти» в бизнес-центры, где чрезвычайно трудно согласовать ввод новых волокон или получить в монопольное использование уже проложенные.