Центр компетенций НТИ по направлению «Квантовые коммуникации»

Центр компетенций Национальной технологической инициативы (НТИ) по направлению «Квантовые коммуникации» на базе НИТУ МИСИС

Центр компетенций НТИ «Квантовые коммуникации» – научно-образовательная организация России, созданная на базе консорциума НИТУ МИСИС, Российского Квантового Центра (РКЦ), а также ряда образовательных, инновационных и промышленных предприятий, и развивающая такие высокотехнологичные направления, как квантовые коммуникации и квантовая криптография.

Цели и задачи

Результаты деятельности

Преодоление технологических барьеров

В 2022 году:

созданы компактные устройства для генерирования и детектирования неклассических состояний света, реализованы технологии квантовой обработки информации с применением этих устройств.
разработаны источники одиночных фотонов на основе SiV центров в алмазе, позволяющие повысить защищенность систем квантового распределения ключа, включая скорость его генерации.

В 2021 году:

разработан технический проект передатчика квантовых состояний, предназначенного для установки в системные блоки ПК и рабочие станции. Созданы компактные оптические схемы для квантового распределения ключа на основе волноводной техники.
создан технологический образец модуля для обмена квантовыми ключами между спутником и наземной станцией.
создана открытая квантовая сеть из 5 узлов, готовая для внедрения бизнес-приложений конечного пользователя.
лабораторией анализа практических уязвимостей систем квантовой криптографии и разработки методов ее сертификации разработана методология проверки систем квантовой криптографии на взломоустойчивость.

В 2020 году:

разработан оптический гомодинный детектор и квантовое распределение ключа на непрерывных переменных, что помогло решить вопрос дорогостоящих лавинных фотодиодов для детектирования одиночных фотонов квантовой криптографии на дискретных переменных;
разработана система квантового распределения ключа для расстояний более 300 км с использованием сверхпроводниковых детекторов одиночных фотонов, до этого предельная дальность коммерчески доступных решений ограничивалась расстояниями порядка 100 км;
создана недорогая диодная накачка фемтосекундного лазера.

В 2019 году:

разработан квантовый генератор случайных чисел со скоростью генерации более 2 Гбит/с. Ранее существующие аппаратные генераторы случайных чисел не обеспечивали скорость генерации, необходимой для частоты приготовления квантовых состояний 1 ГГц;
создан синхронный (стробированный) детектор одиночных фотонов с частотой не менее 1 ГГц, который стал доступен как самостоятельное изделие и обеспечивает коммерциализацию высокоскоростного квантового распределения ключа, что стало прорывом, так как максимальные частоты коммерчески доступных синхронных (стробированных) детекторов одиночных фотонов не превышали 300 МГц.

Значимые результаты научно-исследовательской деятельности

В 2023 году изготовлена оптическая схема системы квантового распределения ключа на основе волноводной техники, разработан опытный образец устройства квантового распределения ключа на основе волноводной техники и технический проект, проведены испытания опытного образца, присвоена литера «О». Дополнительно исследована возможность создания квантового приемника на чипе в РФ. Создан и исследован макет компактной системы приготовления квантовых состояний во внутригородских сетях КРК. Разработаны и исследованы новые методы кодирования квантовых состояний с использованием оптической инжекции. Разработанная система предназначена для выработки квантовых ключей между блоком передачи, блоком приема и их распределения на аппаратуру потребителя.

Создан экспериментальный образец компактного устройства для генерирования и детектирования неклассических состояний света и технический проект. Разработанное устройство предназначено для возбуждения ансамблей и одиночных излучателей на основе одномерных и двумерных полупроводниковых материалов, таких как однослойные углеродные нанотрубки, которые могут являться источниками одиночных фотонов на телекоммуникационных длинах волн (1,3-1,6 мкм), монослои дихалькогенидов переходных металлов после внедрения дефектов. Другие однофотонные аналоги, такие как флуоресцентные молекулы, азотно-замещенные вакансии алмаза или люминесцентные дефекты в двумерном нитриде бора также могут изучаться на данной установке. Диапазон длин волн возбуждения: 450 – 510 нм, 545 – 650 нм; детектирования: 450 – 1550 нм.

Установка может быть использована для демонстрации термальной бистабильности диэлектрических резонаторов, что может открыть перспективы для разработки устройств термальной памяти. Более того, универсальность установки для измерения отражения, фотолюминесценции и комбинационного рассеяния света в видимом диапазоне и ближнем инфракрасном открывают пути для тестирования оптических свойств для полупроводниковых 2D материалов, метаповерхностей и плазмонных наноструктур.

В 2021 году разработан экспериментальный образец системы квантового распределения ключа для беспилотных аппаратов. Подобные устройства обеспечат защиту промышленного интернета и беспилотных аппаратов от взлома с применением квантового компьютера. Это особенно актуально для городского беспилотного транспорта, который станет массовым на горизонте ожидаемого масштабирования квантовых компьютеров.

Создан самый быстрый в России квантовый генератор случайных чисел. Технология может лечь в основу производства коммерческих генераторов случайных чисел, применяемых в криптографии и для моделирования сложных систем.

Проведено лабораторное тестирование на лазерное повреждение (как метод атаки) волоконно-оптических изоляторов. Обнаружено, что сроки службы квантовых спутников связи можно увеличить в десятки раз. Для этого нужно периодически нагревать детекторы фотонов, расположенные на спутниках, чтобы таким образом "залечивать" дефекты, которые возникают в их кремниевой основе под действием космических лучей.

В 2020 году создан прототип самой чувствительной видеокамеры в мире. Данная камера позволит видеть практически в полной темноте. Разработка даст возможность изучить нахождение минералов в горных породах, а также станет большим помощником для человека в области борьбы с онкозаболеваниям. Массивы сверхчувствительных пикселей помогут продвинуться в создании квантовых компьютеров и систем квантовой связи. На данный момент прототип, представленный группой разработчиков Центра НТИ, состоит всего из 8 пикселей.

Создание важных объектов инфраструктуры

В 2022 году ученые Центра НТИ провели тестирование программного обеспечения «Квантово-защищенное хранение данных» на созданной квантовой сети, которое может применяться для обеспечения защиты подлинности, целостности и конфиденциальности на протяжении всего срока службы электронных данных.
В 2021 году Центр НТИ запустил первую в России экосистемную межвузовскую квантовую сеть с открытым доступом. В России появилась современная площадка для реализации технологичных инфраструктурных решений в сфере защиты данных с применением квантовой криптографии. Экосистемная 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 и государственные учреждения. На базе сети они могут разрабатывать современные программные приложения в сфере информационной безопасности с применением квантовых ключей. Между доверенными узлами связи методом квантового распределения ключа по существующим оптическим линиям связи передаются ключи, формируемые со скоростью 30 кбит/с, что позволяет подключить одновременно более 10 высокоскоростных шифраторов.
В 2020 году создан лабораторный практикум по квантовым технологиям. Это лабораторные работы нового поколения, не имеющие аналогов. Практикум в области квантовых технологий дает студентам представление о современных приборах и технологических методах, развивает навыки практической работы с устройствами квантовой обработки информации, основанными на фотонике, квантовой фотонике и криптографии, закрепляя при этом теоретические знания.
В 2019 году был создан Центр коллективного пользования НТИ (ЦКП НТИ), целью которого является выполнение широкого спектра задач по прототипированию и изготовлению деталей и устройств технического назначения для лабораторий Центра НТИ и участников Консорциума. ЦКП НТИ многофункционален и выполняет большой спектр услуг, включая промышленный дизайн, 3D-прототипирование, компьютерный инжиниринг, встраиваемые системы управления и мониторинга, функциональные покрытия и точную механообработку.

Внедрение и коммерциализация результатов деятельности Центра

В 2023 году на коммерческой основе реализована очная программа повышения квалификации «Классические и квантово-оптические фотонные интегральные схемы» в объеме 72 часов, разработанная сотрудниками Центра НТИ.
В 2022 году на коммерческой основе реализована очная программа повышения квалификации «Квантовые технологии для защиты информации» в объеме 72 часов, разработанная сотрудниками Центра НТИ.
В 2021 году на коммерческой основе реализована очная программа повышения квалификации «Практическое введение в квантовые коммуникации» в объеме 72 часов, разработанная сотрудниками Центра НТИ.
В 2020 году совместно с ГК «Росатом» и ПАО «Ростелеком» успешно реализован пилотный проект создания волоконно-оптической линии связи с применением технологии квантового распределения ключей шифрования (КРК), связавшей два офиса ГК “Росатом” в Москве. Технология квантового распределения ключей позволяет получить общий ключ для шифрования, стойкость которого обеспечивается использованием принципа невозможности клонирования неизвестного квантового состояния.
В 2019 году в рамках Петербургского международного экономического форума совместно со Сбербанком, Газпромбанком, PwC и Российским квантовым центром была продемонстрирована первая межкорпоративная квантовая сеть между стендами трех партнеров, двух крупнейших банков и международной консалтинговой компанией. Данный результат может стать основой для построения всероссийской многоузловой сети защищенной связи для банковской системы и госсектора.

Создание и лицензирование РИДов

С 2018 по 2023 г.г. в рамках реализации плана мероприятий Центра квантовых коммуникаций НТИ было создано 25 программ для ЭВМ, также было заключено 14 лицензионных соглашений на использование программ для ЭВМ.

Консорциум

Проекты

Приоритетные проекты Центра:

Проект: “Новое поколение устройств квантового распределения ключа с увеличенной частотой повторения приготовления состояний до 1 ГГц и скоростью генерации квантового ключа более 100 Кбит/с, в том числе интегрированная с сервером версия”

Опытный образец устройства квантового распределения ключа нового поколения представляет собой серверный модуль, устанавливаемый в серверную стойку пользователя, который позволяет обмениваться квантовыми ключам. Потребителями проекта являются крупные финансовые и промышленные организации, телекоммуникационные компании. Проект поможет решить проблему незащищенности передачи данных между удаленными офисами в банковской и телекоммуникационной сферах; использование в целях противодействия ИТР и повышения обороноспособности страны.
Проект: “Квантовое распределение ключа (КРК) на непрерывных переменных для небольших расстояний со сниженной стоимостью”

Предлагаемый продукт – опытный образец встраиваемого модуля КРК с возможностью подключения к персональному компьютеру пользователя, который позволяет обмениваться зашифрованной информацией на расстоянии до 50 км без использования дорогостоящих однофотонных детекторов. Технология непрерывных переменных позволит достигать большей скорости генерации ключа на больших расстояниях. Снижение стоимости является одним из ключевых факторов, который позволяет расширить область применения и экономическую эффективность решений. Указанная технология хорошо подходит для применения при создании городских квантовых сетей и интеграции в текущую инфраструктуру. Проект поможет решить задачу незащищенности передачи личных данных пользователей на расстояниях до 50 км.
Проект: “Сетевые программные решения для квантовых сетей”

Конечным продуктом проекта является программное обеспечение распределения ключей между пользовательскими приложениями. В России отсутствуют квантовые сети, готовые для внедрения бизнес-приложений на базе КРК для конечного пользователя. Глобальный проект по строительству, испытанию и эксплуатации квантовых сетей в России совместно реализуют Центр НТИ и Участники консорциума. В рамках реализации проекта предполагается открытие опытной квантовой сети для отработки решений и тестирования бизнес-приложений на основе КРК с приоритетным доступом для участников Консорциума. Строительство квантовых сетей, систем управления ими, а также разработка бизнес-приложений для конечного пользователя обладают большим коммерческим потенциалом. В настоящее время бизнес-приложения ограничиваются защитой передачи данных. Наша конечная цель – создание бизнес-приложений верхнего уровня на основе квантовых сетей.

Ключевые проекты Центра:

Квантовый генератор случайных чисел со скоростью более 2 Гбит/с
Разработка модуля для спутникового квантового распределения ключа
Разработка системы квантового распределения ключа для беспилотных аппаратов
Разработка технологии создания охлаждаемой однофотонной видеокамеры видимого, телекоммуникационного и инфракрасного диапазона длин волн»
Разработка устройства квантового распределения ключей с использованием недоверенного центрального узла
Система квантовой выработки ключа со скоростью более 1 Мбит/с для сетей связи высокой емкости
Разработка взломоустойчивого сверхпроводящего детектора фотонов для КРК совместно с компанией ООО «Сконтел»
Компактные системы квантового распределения ключа на основе волноводной техники
Поиск новых уязвимостей и методов защиты, тестирование систем других производителей, анализ новых протоколов квантовой криптографии
Миниатюрная квантовая криптография в режиме клиент-сервер
Создание и предоставление в открытый доступ тестовой квантовой сети
Международный Чемпионат World Skills

Образовательная деятельность

Рост популярности квантовой криптографии повышает спрос на образовательные услуги, и научно-образовательные системы высоко востребованы уже сейчас. Компании-члены консорциума ведут активную деятельность для завоевания данного сегмента рынка квантовых технологий. Так, например, лабораторная модульная установка для распределения квантового ключа обладает такими важными свойствами, как универсальность, надежность, удобство в эксплуатации, и может успешно использоваться в научно-исследовательских целях и в образовании для проведения высококлассных лабораторных работ.

Образовательные программы Центра НТИ реализуются на двух уровнях профессионального образования (высшее образование – магистратура и подготовка кадров высшей квалификации), а также в виде ДПО.

За 2018 – 2023 гг. в Центре было подготовлено более 1000 специалистов в рамках программ ДПО по квантовым коммуникациям.

Важной частью образовательной программы Центра являются научно-популярные лекции и научные мероприятия по квантовым коммуникациям и квантовым технологиям с привлечением большого числа слушателей и видеотрансляций.

Сильной стороной нашей образовательной деятельности является то, что она предусматривает организацию обучения с использованием передовых ресурсов нескольких организаций. Это позволяет нам повысить качество программ и аккумулировать лучший опыт ведущих отечественных организаций в области квантовых технологий, а также актуализировать образовательные программы с учетом уровня и особенностей ресурсного обеспечения реальной профессиональной деятельности.