Квантовый рубеж: как новая физика переписывает правила кибербезопасности

Квантовый рубеж: как новая физика переписывает правила кибербезопасности

Достижения в области квантовых вычислений, которые ещё недавно казались делом отдалённого будущего, стремительно приближают момент, когда привычные средства защиты перестанут работать. Одновременно с этим квантовые технологии открывают и новые возможности в сфере информационной безопасности. Чтобы понять масштаб грядущих перемен, изучим потенциально возникающие угрозы, а также подходы России и других развитых стран в выработке ответных мер, которые призваны удержать цифровой мир от коллапса.

Причины тревог безопасников

В основе современных систем защиты лежит асимметричная криптография, использующая алгоритмы RSA и ECC. Их надёжность зиждется на непреодолимой сложности разложения больших чисел на простые множители и дискретного логарифмирования на эллиптических кривых соответственно (в случае, если задействован классический суперкомпьютер). Однако для квантового компьютера, вооружённого алгоритмом Шора, эта задача становится решаемой за считанные часы.

Прогнозы по срокам появления такого вычислителя постоянно смещаются в сторону сокращения. Если ещё недавно речь шла о 2036 годе, то теперь оценки сдвинулись к 2029 году. Исследователи из Google Quantum AI пересмотрели необходимые для взлома ресурсы: вместо миллионов кубитов потребуется около 500 тысяч физических кубитов, а сама операция займёт менее десяти минут. Это означает, что под угрозой окажутся не только государственные тайны и банковские транзакции, но и системы управления спутниками, энергосетями и критической инфраструктурой.

Особую тревогу вызывает уже реализуемая на практике тактика «собери сейчас, расшифруй потом» (harvest now, decrypt later). Злоумышленники уже перехватывают и накапливают зашифрованные данные — медицинские записи, финансовую информацию, объекты интеллектуальной собственности — в расчёте на то, что квантовый компьютер рано или поздно позволит их расшифровать. Как отмечает квантовый исследователь из Университета Саймона Фрейзера в Канаде Стефани Симмонс, крупномасштабные квантовые компьютеры могут появиться уже через несколько лет, и это имеет серьёзные последствия для защиты чувствительной инфраструктуры.

Более того, квантовые вычисления создают качественно новую модель, несущую угрозу для всей системы публичных ключей. В сочетании с искусственным интеллектом, который позволяет автоматизировать поиск уязвимостей, квантовое ускорение даёт злоумышленникам беспрецедентные возможности для быстрого и масштабного доступа к защищённым системам.

Особенно уязвимыми оказываются блокчейн-системы. Квантово-вооружённый противник, способный подделывать или извлекать приватные ключи, может манипулировать исполнением смарт-контрактов, изменять записи о праве собственности или перенаправлять потоки цифровых активов, не нарушая при этом правил самого протокола. Некоторые криптовалютные транзакции, предполагающие кратковременное публичное раскрытие секретных кодов, окажутся под непосредственной угрозой.

Защита с квантовым уклоном

В сфере кибербезопасности сегодня выделяются три ключевых направления. Квантовое распределение ключей (Quantum Key Distribution/QKD) представляет собой технологию, использующую фундаментальные свойства квантовой физики для передачи ключей шифрования. Любая попытка перехвата такого ключа неизбежно изменяет его квантовое состояние, что мгновенно обнаруживается отправителем и получателем. QKD позволяет создавать каналы связи, взлом которых физически невозможен.

Постквантовая криптография (Post-Quantum Cryptography/PQC) относится к новому классу алгоритмов шифрования, реализованных на традиционных языках программирования, устойчивых к атакам различного типа. В отличие от QKD, эти решения не требуют специального оборудования и могут внедряться в существующую ИТ-инфраструктуру.

Ещё одна технология для создания надёжных криптографических ключей — квантовые генераторы случайных чисел. Дополнительно ведутся разработки в области квантово-безопасных архитектур для блокчейна и интернета вещей, а также квантовых цифровых двойников для прогнозирования и упреждающей защиты от киберугроз.

Амбициозные планы лидирующих держав

Квантовая гонка сегодня — это противостояние двух сверхдержав с принципиально разными стратегиями. Китай демонстрирует впечатляющие успехи сразу по нескольким направлениям. В 2025 году Китайская академия наук представила 105-кубитный сверхпроводящий квантовый процессор «Цзучунчжи-3», который в 15 порядков быстрее самого мощного суперкомпьютера Frontier (США) решает задачу квантовой случайной выборки. В оптической квантовой системе «Цзючжан-4» удалось контролировать 3050 фотонов, что является мировым рекордом. Китай остаётся единственной страной, достигшей «квантового превосходства» на двух физических носителях — на световых частицах и сверхпроводящих кубитах. КНР опережает всех остальных в квантовых коммуникациях, особенно в спутниковых системах. Поднебесная также удерживает первенство по числу патентных заявок в квантовой сфере.

США сохраняют лидерство в качестве и влиянии квантовых исследований. Google в 2025 году на 105-кубитном процессоре Willow продемонстрировал вычислительное преимущество в 13 тысяч раз над классическими суперкомпьютерами. Amazon представила систему квантовой коррекции ошибок на «кошачьих» кубитах (catqubits), требующую меньше ресурсов. По числу коммерчески доступных квантовых процессоров США лидируют с большим отрывом — 16 против четырёх у Китая. При этом американские компании — IonQ, PsiQuantum, Infleqtion — привлекают основную долю венчурных инвестиций.

Добавим несколько фактов, касающихся Европы. Флагманская программа ЕС под названием Quantum Flagship с бюджетом в миллиард евро направлена на объединение ученых, промышленности и инвестиций для прорыва в квантовых исследованиях. Действует также «Квантовый пакт» (Quantum Pact) — соглашение, подписанное десятками европейских стран для координации усилий, обмена опытом и создания единой квантовой экосистемы. В стадии активного развёртывания находится EuroQCI — проект по созданию защищённой квантовой сети связи для безопасности государственных данных по всей территории ЕС.

В декабре прошлого года компания QuantWare (Нидерланды) анонсировала самый масштабный в мире сверхпроводящий квантовый процессор на 10 тысяч кубитов — VIO-40K. Во Франции ввели в строй фотонный квантовый компьютер Lucy, который работает при комнатной температуре и не требует дорогостоящего охлаждения. В рамках проекта SmaraQ учёные в Германии трудятся над тем, чтобы интегрировать элементы квантовой оптики непосредственно на кристалл.

300-кубитный вычислитель не за горами

В текущем году в нашей стране прошёл ряд форумов, имеющих прямое отношение к рассматриваемой теме. В январе в ГК «Росатом» прошла I Отраслевая конференция по квантовым вычислениям, на которой говорили о движении от инноваций к активной фазе апробации с последующим формированием полноценной отечественной индустрии. На первом Форуме квантовых технологий стран БРИКС, состоявшемся в июне в Москве, учёные, эксперты и представители органов государственной власти стран объединения обсудили перспективы сотрудничества в квантовой сфере.

В марте в Российском квантовом центре (РКЦ) состоялось экспертно-аналитическое мероприятие «Квантовое лидерство: достижения и перспективы», где участники в ходе дискуссий делали упор главным образом на вопросах ИБ. В специальном отчёте, подготовленном группой экспертов, говорилось о необходимости выверенных решений, «которые должны успешно защитить ценную информацию перед атаками с применением как классических, так и квантовых компьютеров».

С 2020 года «Росатом» отвечает за реализацию дорожной карты (ДК) по развитию высокотехнологичной области «Квантовые вычисления». Экосистема проекта объединяет 19 научных институтов и университетов, включая более 750 исследователей и инженеров. Несмотря на старт с существенным отставанием от мировых лидеров, удалось разработать прототипы квантовых вычислителей на четырёх основных платформах (на ионах, атомах, фотонах и сверхпроводниках), что ставит РФ в один ряд с США и Китаем. На сегодняшний день Россия обладает семью квантовыми процессорами — пять из них созданы в рамках ДК. Три квантовых вычислителя достигли размерности 70+ кубитов. Реализация программы на 2025–2030 годы нацелена на достижение качественных эффектов развития квантовых технологий.

Власти ставят задачу активизировать и масштабировать начатую в атомной отрасли работу по пилотированию квантовых вычислений, обеспечив тиражирование лучших практик в ключевых отраслях экономики России. Речь идёт о том, чтобы на горизонте до 2030 года прийти к созданию в стране конкурентоспособной квантовой отрасли.

На июньскомзаседании Научного совета РАН «Квантовые технологии» директор департамента цифровой трансформации ГК «Росатом» Марина Авилова сообщила: помимо мощных процессоров (70+ кубитов) в рамках ДК в стране было разработано 13 квантовых алгоритмов и 13 прототипов программных решений. Среди ориентиров до 2030 года— создание 300-кубитных квантовых процессоров, разработка более полусотни квантовых алгоритмов для решения практически значимых вычислительных задач.

Учёные из Российского квантового центра (РКЦ) создали первый отечественный ионный квантовый компьютер на семиуровневых кудитах (или кусептах). Точность однокубитных операций достигла 99,92%, двухкубитных — 96,5%. Научной группой Квантового проекта из Физического института имени П. Н. Лебедева завершены испытания первого 70-кубитного квантового компьютера на ионах иттербия. Совместно с «Росатомом» МГУ продемонстрировал 72-кубитный прототип на нейтральных атомах рубидия.

«Мы ставим во главу угла достижение квантовой полезности. Это понятие включает создание экономически эффективных квантовых систем, которые смогут решать задачи в области криптографии, в моделировании сложных физических и биологических процессов и во многих других сферах, где классические суперкомпьютеры сегодня работают на пределе возможностей», — отметил президент РАН академик Геннадий Красников.

Лучшая криптозащита — гибридная

Главным инструментом защиты от квантовой угрозы сегодня становится постквантовая криптография. Она основана на новых математических алгоритмах, предназначенных для защиты как от классических, так и от квантовых атак. PQC предлагает наиболее быстрый путь вперёд. Её часто можно реализовать посредством обновления программного обеспечения. Однако такая криптография требует тщательного тестирования, повышения безопасности и интеграции.

В 2024 году Национальный институт стандартов и технологий (NIST) США опубликовал первые три стандартизированных PQC-алгоритма: ML-KEM (CRYSTALS-Kyber) для обмена ключами, ML-DSA (CRYSTALS-Dilithium) и SLH-DSA (SPHINCS+) для цифровых подписей. В 2025 году NIST добавил к стандартизации алгоритм HQC для усиления портфеля квантово-стойких решений.

Регуляторы по всему миру уже сигнализируют о необходимости срочного перехода на PQC. Британские ICO и NCSC призывают организации начинать оценку и планирование миграции на постквантовую криптографию без промедления. Ключевое преимущество PQC перед QKD — возможность поэтапного внедрения в существующую инфраструктуру без замены оборудования.

Если говорить о России, то именно квантовые коммуникации и постквантовое шифрование являются наиболее зрелыми в области «квантов», считает замглавы Минцифры, президент Академии криптографии РФ Александр Шойтов. Одним из достоинств технологии квантового распределения ключей является минимизация участия человека. По словам чиновника, мы имеем уже предварительный национальный стандарт (ПНСТ 829-2023), сертифицированное оборудование и концепцию регулирования квантовых сетей.

ОАО «РЖД» выступает главным центром ответственности и инвестором в развитии направления квантовых коммуникаций в России в рамках правительственной дорожной карты. Компания построила тысячи километров защищённых волоконно-оптических квантовых сетей по всей стране: на 2025 год их длина превысила 7000 км, а к 2030 году их протяжённость должна составить не менее 15 тысяч км. Кроме того, ИТ-компания «Смартс-Кванттелеком» построила свою квантовую сеть протяжённостью 5440 км, охватывающую 19 субъектов РФ.

Маячащая на горизонте ближайших лет угроза всей существующей криптографии с открытым ключом мотивирует ИБ-специалистов работать на опережение — причём не ожидая появления нормативных актов, предписывающих применять те или иные постквантовые алгоритмы. Идут активные работы, связанные с определением порядка их встраивания в криптографические протоколы и действующие процедуры по работе с сертификатами, а также с их реализацией. Сложность заключается в том, что постквантовые алгоритмы (например, на основе решеток или хеш-функций) имеют больший размер ключей и подписей. Это требует изменения форматов самих сертификатов, правил их выпуска, проверки и регламентов удостоверяющих центров.

По мнению экспертов, на пути продвижения стоят такие проблемы, как высокая стоимость оборудования, сложность в эксплуатации инфраструктуры, дефицит кадров, несовершенство или полное отсутствие регулирования. Одни компании не понимают, какие именно продукты на базе квантовых технологий им нужно внедрять в первую очередь, а другие вообще сомневаются в их практической ценности. В итоге внедрение «квантов» прописано в стратегиях развития лишь небольшого числа организаций, представляющих главным образом финансовый сектор.

Доктор Пан Лян Тек, генеральный менеджер по передовым продуктам безопасности компании ST Engineering (Сингапур) полагает, что ни одна технология сама по себе не предохранит от всех угроз квантовой эры. Будущее за гибридной, многоуровневой криптографической защитой, которая предусматривает внедрение PQC во все шифраторы и протоколы, интеграцию коммерческих систем QKD с оценкой их безопасности, управление квантовыми ключами в сочетании с PQC, при реализации которой возможно обновление алгоритмов.

Quantum AI как симбиоз двух передовых технологий

Сочетание искусственного интеллекта и квантовых вычислений открывает принципиально новые возможности для киберобороны. Как показывают научные исследования, проведённые под эгидой индийского университета Symbiosis International, гибридные системы способны обеспечить до 42% улучшения точности обнаружения атак и сократить время реакции на угрозы на 55% по сравнению с традиционными методами.

Квантовое машинное обучение использует свойства суперпозиции и запутанности для параллельной обработки признаков и распознавания образов, что позволяет выявлять сложные атаки в режиме реального времени. Квантово-усиленный ИИ сканирует большие массивы данных, обнаруживает аномалии и моделирует сценарии атак с беспрецедентной скоростью и точностью. Агентный ИИ, обладающий автономностью и целеориентированным принятием решений, в сочетании с квантовыми алгоритмами формирует адаптивную оборону, способную противостоять как классическим, так и квантовым угрозам.

В своей речи на Квантовом форуме стран БРИКС профессор Уханьского физико-математического института Китайской академии наук Понг Шу выступил за симбиоз квантовых технологий и искусственного интеллекта — quantum AI, а затем — за внедрение таких гибридных систем в робототехнику. Коллегу из КНР поддержал и Александр Шойтов, подчеркнув: для прорыва нужна консолидация более широкого сообщества.

Глава индонезийской Modena Group Майкл Джизар также увидел плюсы в союзе нейросетей и квантовых вычислений: «Если AI — это мозг, то квантовый компьютер — это кровь современного общества». Эксперт призвал не забывать о коммерциализации и добавил, что квантовые симуляторы уже сегодня помогают лучше понимать устройство мира, бороться с вирусами и быстрее разрабатывать лекарства.

Вызов, брошенный объединению БРИКС

Здесь уместно будет отметить, что по итогам XVII Саммита лидеров стран БРИКС в Рио-де-Жанейро от 6 июля 2025 года квантовая наука названа одним из приоритетов развития новых технологий и реиндустриализации государств объединения. В ходе форума в Москве российская сторона выразила готовность сотрудничать по таким направлениям, как академические программы обмена, совместные исследования, использование научной инфраструктуры и разработка общих стандартов или взаимное их признание, а также объединение сети квантовых коммуникаций стран-партнёров.

«В Индии сильно развита математическая школа; это алгоритмисты и программисты. С Китаем перспективны совместные квантовые проекты в космосе. Можно говорить о взаимном обогащении компонентной базой для квантовых вычислений», — пояснил научный руководитель дорожной карты по квантовым вычислениям и академик РАН Николай Колачевский.

Квантовые технологии — это не просто очередной технологический тренд, а фундаментальный вызов всей парадигме цифровой безопасности. Гонка вооружений в этой сфере уже идёт, и ставки в ней — сохранность государственных секретов, финансовых систем и приватности миллиардов людей. Успех в этой гонке будет определяться не только научными достижениями, но и способностью своевременно адаптироваться к квантовым новациям. Кооперация стран-партнёров за счёт объединения исследовательских ресурсов стала бы важным вкладом в равноправное движение вперед, помогая преодолевать технологические барьеры и масштабировать решения.