Прорывные технологии

При поверхностном взгляде может создаться впечатление, что квантовые коммуникации и железные дороги мало связаны друг с другом. Однако ОАО «РЖД» выбрано куратором этого высокотехнологичного направления не случайно – компания обладает необходимой инфраструктурой, научными и организационными компетенциями в области развития современных технологий. Менее чем за год специалистам Департамента квантовых коммуникаций (ЦКК) во взаимодействии с другими подразделениями холдинга, ведущими экспертами и организациями отрасли удалось завершить разработку, провести согласование и утверждение в правительстве дорожной карты, приступить к реализации в 2020 году первоочередных организационных мероприятий и научно-технических проектов, а также сформировать план работ до 2024 года. В частности, в настоящее время ведётся создание квантовой магистрали Москва – Санкт-Петербург на базе собственной оптоволоконной сети. В ближайшем будущем ЦКК необходимо решить множество организационных и научно-технических задач для дальнейшего развития и продвижения технологии на российском и мировом рынке.

Дорожная карта по направлению «Квантовые коммуникации» включает в себя более 120 мероприятий и проектов, запланированных до 2024 года. Предусматривается развитие технологий оптоволоконных, атмосферных и спутниковых квантовых коммуникаций, создание коммерческих квантовых сетей связи и соответствующего специального оборудования, разработку абонентских устройств, развитие квантового Интернета вещей.

Документ предполагает достижение определённых целевых показателей по развитию технологий квантовых коммуникаций: объём производства и продаж продукции, протяжённость квантовых сетей в России, уровень готовности технологии, ключевые технологические параметры (скорость генерации ключей, дальность передачи в один пролёт и другие), обеспеченность кадрами, количество публикаций и патентов, а также положение России в международном рейтинге по квантовым технологиям и коммуникациям. Согласно планам протяжённость квантовых сетей в РФ должна достигнуть 7 тыс. км, а совокупная доля российских компаний на мировом рынке решений на базе технологий квантовых коммуникаций – 4% к 2024 году.

Для достижения поставленных в дорожной карте целевых показателей ОАО «РЖД» необходимо ответить на ряд вызовов, которые стоят перед разработчиками технологии квантовых коммуникаций.

Первый блок – это технологические вызовы. В первую очередь это ограниченное расстояние, на которое можно передавать оптический квантовый сигнал по оптоволокну без применения специальных повторителей, доверенных промежуточных узлов.

Ведётся работа по увеличению дальности серийно доступных систем квантовых коммуникаций. В частности, применяются сверхчувствительные детекторы, способные детектировать без потерь и лишнего фонового шума практически каждый долетающий до них фотон.
«Для примера следует упомянуть, что в области подобных решений Россия находится в лидерах, системы российского производства используются в подобных квантовых коммуникационных системах (и не только в них) по всему миру, – рассказал заместитель начальника ЦКК по науке и технологиям Павел Дорожкин. – Также в рамках дорожной карты запланированы задельные работы по направлению квантовых повторителей, которые потенциально – в будущем – могут позволить обойтись без доверенных промежуточных узлов в квантовых оптоволоконных сетях. Альтернативой наземному оптоволокну является распределение квантового ключа с использованием низкоорбитальных спутников в качестве доверенного промежуточного узла – и в данном направлении тоже идёт интенсивная работа».

Следующий технологический вызов – это полная интеграция систем квантовых коммуникаций с современной телекоммуникационной инфраструктурой. В частности, необходимо обеспечить передачу сверхслабых квантовых оптических сигналов по тому же самому волокну, по которому идёт мощный высокоскоростной телекоммуникационный сигнал. Необходимо обеспечить совместимость оборудования на уровне стандартов и интерфейсов.

Другая технологическая проблема – это масштабирование систем квантовых коммуникаций. Первый шаг в создании оптоволоконных систем – это реализация соединений в геометрии «точка-точка».
«Такой шаг уже достаточно давно сделан, подобных пилотных линий довольно много и у нас, и за рубежом. Другой вопрос – когда мы начинаем планировать и реализовывать квантовые сети сложной геометрии, включающие в себя как протяжённые магистральные линии с большим количеством промежуточных доверенных узлов, так и городские сети с различными нетривиальными конфигурациями, большим количеством конечных пользователей. В этом месте возникает новый класс проблем, связанных с управлением квантовыми сетями, маршрутизацией, обеспечением надёжности и так далее», – прокомментировал Павел Дорожкин.

В рамках дорожной карты необходимо создать полную экосистему развития и внедрения технологий квантовых коммуникаций, которая начинается с подготовки профильных специалистов в квантовых технологиях, продолжается научными исследованиями и разработками, формированием общих стандартов и регламентов, поддержкой производства и заканчивается мерами по развитию рынка, стимулированию и поддержке спроса.
«В стране есть ряд научно-исследовательских организаций, производственных предприятий разного калибра (от стартапов до госкорпораций), операторов связи, фондов развития и других организаций, так или иначе напрямую или опосредованно работающих в направлении развития квантовых коммуникаций. У всех есть определённые мандаты на деятельность, планы, компетенции, интересы, которые целесообразно объединять с целью эффективного развития отрасли. В частности, в плане научно-технических разработок требуется определённым образом сбалансировать работы, ведущиеся и планируемые различными научно-исследовательскими организациями, чтобы, с одной стороны, поддержать здоровую конкуренцию, но с другой – обеспечить взаимодополняющее развитие, без лишнего расходования ресурсов, предоставив возможность каждой организации заниматься тем, в чём она наиболее компетентна, при этом ни о ком не забыв», – пояснил Павел Дорожкин.


Ответственный за направление

В выборе ОАО «РЖД» в качестве ответственного за развитие технологий квантовых коммуникаций нет ничего неожиданного, считает Павел Дорожкин.

Холдинг владеет и эксплуатирует более 70 тыс. км оптоволоконных сетей, проложенных, главным образом, вдоль железных дорог. Дочерняя компания РЖД – АО «Компания ТрансТелеКом» оперирует частью оптоволоконных линий перевозчика и работает с миллионами абонентов – физическими и юридическими лицами, государственными структурами.
«Оптоволоконные линии идут вдоль развитой железнодорожной инфраструктуры, что создаёт идеальный плацдарм для строительства и эксплуатации магистральных оптоволоконных квантовых сетей, размещения промежуточных узлов сети, обеспечения распределения квантовых ключей по наиболее важным географическим направлениям страны», – отметил он.

С точки зрения внедрения и использования технологий квантовых коммуникаций ОАО «РЖД» – это, помимо непосредственно оптоволоконных линий связи, огромная информационная инфраструктура.
«Понятно, что только задачи обеспечения безопасности внутреннего служебного трафика, систем мониторинга и управления объектами железнодорожной инфраструктуры, передачи клиентских данных уже представляют собой большую сферу практического применения для квантовых коммуникационных систем», – рассказал Павел Дорожкин.

Кроме того, у РЖД имеются собственные исследовательские институты, работающие в области информационных технологий, ведётся активная работа с фондами развития, в том числе со «Сколково», Фондом содействия инновациям, Российской венчурной компанией. Проводятся собственные и совместные инновационные разработки в направлении беспилотного движения, систем контроля и мониторинга с применением искусственного интеллекта, спутниковых геоинформационных технологий и так далее. Также есть потенциальный интерес и к квантовым вычислениям – по причине наличия большого количества задач по оптимизации трафика.


Пилот не заставит себя ждать

Одним из первых пилотных проектов, который реализует ОАО «РЖД», является строительство магистральной квантовой сети Москва – Санкт-Петербург протяжённостью порядка 800 км.

По словам заместителя генерального директора – главного инженера ОАО «РЖД» Сергея Кобзева, в сентябре разработано техническое задание на строительство, а в декабре – комплект рабочей документации. В настоящее время осуществляется поставка необходимого оборудования. Он также отметил, что расширяется число операторов связи, участвующих в проекте. Так, совместно с ПАО «МГТС» создан опытный район по тестированию и проверке соответствия декларируемых показателей оборудования на городской волоконно-оптической сети. Организована опытная волоконно-оптическая линия между Главным вычислительным центром ОАО «РЖД» и офисом МГТС протяжённостью около 40 км. «Проведённые испытания позволили сделать вывод о готовности технологий квантовых коммуникаций к применению на действующих городских волоконно-оптических линиях связи, находящихся в процессе длительной эксплуатации. Кроме того, было отработано межоператорское взаимодействие при развитии квантовой сети», – сообщил Сергей Кобзев.

Научная составляющая проекта формируется на базе Центра компетенций, созданного РЖД совместно с петербургским университетом ИТМО. «Уже в начале 2021 года мы введём сеть в опытную эксплуатацию и далее перейдём к практическому применению технологий, что станет первым опытом предоставления коммерческого сервиса квантового распределения ключа потребителям. В дальнейшем запланировано тиражирование технологий на других направлениях», – рассказал начальник ЦКК Артур Глейм.

Также планируется реализация прототипа системы космической передачи квантовой информации с использованием российского сегмента Международной космической станции и наземных терминалов, установленных на территории РФ. В результате выполнения этого проекта планируется передача криптографических ключей с борта МКС на один или два наземных терминала, что станет в каком-то смысле повторением недавних результатов Китая, но полностью на отечественных технологиях.

Для достижения поставленной цели параллельно будут реализованы два проекта. Один финансируется РКК «Энергия», он уже запущен (заканчивается в 2024 году). Планируется, что второй проект будет поддержан ОАО «РЖД», он начнётся в 2021 году и также должен закончиться не позже 2024-го.

В области квантовой оптики запланировано проведение научно-исследовательских работ, связанных с демонстрацией и реализацией основных узлов квантовых повторителей. На втором этапе компоненты будут интегрированы с оптоволоконными сетями. Также будут разработаны материалы для квантовой памяти. В итоге разработчики продемонстрируют образец квантового повторителя и недоверенного промежуточного узла, интегрированного с оптоволоконной сетью. Простейший вариант такого устройства планируется испытать до конца 2024 года.

Ещё одним перспективным направлением является разработка и производство портативных квантовых систем в конфигурации «на чипе». «Когда квантовый передатчик «Алиса» (а в перспективе и приёмник «Боб») можно будет произвести в виде небольшого чипа, оптической интегральной схемы – дешёвой при массовом производстве, устойчивой к внешним воздействиям, стабильной и не требующей сложной оптической настройки, – тогда мы увидим совершенно иные горизонты внедрения и использования квантовых систем, в том числе систем квантовых коммуникаций. Работы по созданию таких систем на чипе также запускаются, и мы очень надеемся на их быстрый прогресс – это нужно всему рынку», – пояснил Павел Дорожкин.


Мировой опыт

Технология квантовых коммуникаций активно развивается в Европе, Великобритании, США, КНР и Японии. Однако именно Китай на сегодняшний день, без сомнения, является лидером в квантовой связи.

В 2017 году завершена основная фаза китайского проекта по квантовой космической связи, который был реализован за три года. Речь идёт о распределении квантовых криптографических ключей между низкоорбитальным спутником и станциями, которые расположены как на территории Китая, так и в Евросоюзе.
«Это совместный проект, соглашение о котором подписано между КНР и ЕС. Станции находятся в Австрии, Италии и Китае. Кстати, дело не ограничилось квантовой криптографией. Они пошли дальше, и другие протоколы, в частности квантовой телепортации и плотного кодирования (квантовое сверхплотное кодирование – метод, позволяющий передать два бита классической информации с помощью лишь одного кубита, используя явление квантовой запутанности. – Ред.), тоже реализовали в этом эксперименте», – пояснил научный руководитель Центра квантовых технологий физического факультета МГУ Сергей Кулик.

Существует также японский эксперимент, с помощью которого выяснялась возможность квантового распределения ключей на низкоорбитальные спутники. Другой проект связан с попыткой выяснить, насколько реалистично передавать информацию на геостационарные спутники, то есть на порядки большие расстояния.

Кроме того, в 2017 году китайские учёные открыли первую в мире квантовую оптоволоконную линию связи протяжённостью свыше 2 тыс. км, соединившую Пекин и Шанхай. На сегодняшний день каналы используются исключительно для обмена ключами шифрования, поскольку способны передавать лишь очень малые объёмы информации.

Также в феврале 2020 года научно-исследовательская группа под руководством Пан Цзяньвэя из Научно-технического университета Китая добилась прорывных результатов в повышении пропускной способности квантовой связи. Им удалось повысить число фотонов, успешно добирающихся до адресата по оптоволоконной линии 50 км, с 1 из 100 квадриллионов до 1 из 100.

По словам директора Центра НТИ «Квантовые коммуникации» в НИТУ МИСиС Юрия Курочкина, Россия находится на хорошем уровне по развитию квантовых коммуникаций – за счёт целевых программ развития те решения, которые есть сейчас, успешно конкурируют с мировыми лидерами.
«Однако компонентная база российского производства пока ещё слабая. Существуют отдельные элементы, которые мы умеем делать (электрооптические модуляторы), и те, которые не умеем (например, полупроводниковые лавинные фотодиоды). В электронике и программируемых процессорах в целом используется зарубежная компонентная база. Однако это общая проблема всего отечественного телекома и электроники для оборонной промышленности», – резюмировал он.

Ксения Потаева