XVIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2026

Введение

В последние десятилетия наблюдается стремительный рост объёмов цифровой информации и, как следствие, увеличение числа угроз в сфере кибербезопасности. Современные криптографические методы, основанные на математических алгоритмах, долгое время считались надёжными. Однако с развитием квантовых вычислений возникает риск их взлома в обозримом будущем [3,5]. Квантовые компьютеры способны выполнять вычисления, недостижимые для классических машин. Алгоритмы Шора и Гровера потенциально позволяют взломать RSA и другие системы, защищающие большую часть интернет-коммуникаций. Поэтому исследование квантовой и постквантовой криптографии становится одной из приоритетных задач современной науки и прикладной кибербезопасности [4,5].

1. Основы классической криптографии

Классическая криптография базируется на использовании сложных математических задач. Существует два основных типа шифрования — симметричное (один и тот же ключ для шифрования и дешифрования, например, AES) и асимметричное (разные ключи, как в RSA и ECC). Безопасность таких систем обеспечивается тем, что взлом требует огромных вычислительных ресурсов [3,4,5]. Однако, развитие квантовых технологий делает многие из этих методов уязвимыми [3]. Например, RSA основан на сложности факторизации больших чисел, а квантовые алгоритмы позволяют выполнять эту операцию значительно быстрее, что ставит под угрозу безопасность всей инфраструктуры интернета [4].

2. Квантовые вычисления и угрозы криптографии

Квантовые вычисления используют уникальные свойства квантовой физики — суперпозицию и запутанность. Эти явления позволяют обрабатывать множество возможных состояний одновременно, обеспечивая квантовым машинам колоссальное преимущество перед классическими [3,5]. Главная угроза исходит от алгоритма Шора, который эффективно разлагает большие числа на множители, и алгоритма Гровера, ускоряющего поиск в базах данных. Их применение делает уязвимыми такие алгоритмы, как RSA и ECC, а также ослабляет симметричные шифры при малых размерах ключей [4,5]. Таким образом, человечеству предстоит переход к новым методам защиты, устойчивым к квантовым атакам [8].

3. Принципы квантовой криптографии

Квантовая криптография базируется не на вычислительной сложности, а на фундаментальных законах природы. Согласно принципам квантовой механики, любое наблюдение или измерение квантового объекта изменяет его состояние [1]. Это свойство делает невозможным незаметный перехват информации: любая попытка прослушивания приводит к искажению данных, что легко обнаружить [2,3]. Главная идея — передача секретного ключа по квантовому каналу с использованием отдельных фотонов. Если злоумышленник попытается перехватить эти фотоны, он внесёт помехи, которые фиксируются участниками обмена. Благодаря этому достигается абсолютная безопасность на физическом уровне [1,3,4].

4. Квантовая передача ключей (QKD)

Наиболее известным и широко исследованным протоколом является BB84, предложенный Ч. Беннетом и Ж. Брассаром в 1984 году [1]. Он использует фотоны с различными поляризациями для кодирования информации. Если злоумышленник вмешивается в процесс, стороны фиксируют рост ошибок.

Существуют и другие протоколы — E91, основанный на квантовой запутанности [2], и B92.

Сегодня квантовые сети активно создаются:

• в Китае — линия Пекин–Шанхай длиной более 2000 км [6];
• в Европе — проекты компаний ID Quantique и Toshiba [6,7];
• в России — разработки ведёт Российский квантовый центр (РКЦ) [5].

Перспектива развития — создание глобального квантового интернета, обеспечивающего безопасную передачу данных между государственными и коммерческими структурами [5,6].

5. Постквантовая криптография

Постквантовая криптография (PQC) направлена на защиту информации от квантовых атак без использования физического квантового оборудования [8]. Она реализуется на классических вычислительных системах, опираясь на задачи, сложные даже для квантовых алгоритмов.

Решёточные алгоритмы.

Решёточные схемы (например, CRYSTALS-Kyber и Dilithium) основаны на трудности нахождения кратчайших векторов в многомерных решётках. Эти методы уже рассматриваются NIST как стандартные алгоритмы постквантового шифрования [8].

Хэш-криптография.

Хэш-криптография использует однонаправленные функции и применяется в схемах цифровых подписей, таких как XMSS и SPHINCS+. Преимуществом является высокая устойчивость к квантовым атакам и простота реализации [8].

Кодовые схемы.

Кодовые схемы, например, McEliece, используют принципы коррекции ошибок и обеспечивают проверенную временем защиту, хотя требуют больших размеров ключей [8]. В 2024 году NIST завершил четвёртый этап отбора постквантовых алгоритмов, что стало важным шагом к их международной стандартизации [8].

6. Применение квантовой криптографии

Банковский сектор.

Применяется для защищённого обмена ключами между филиалами и центрами обработки данных. Примером служат пилотные проекты банков UBS и HSBC, использующих решения ID Quantique [6].

Государственные структуры.

Используется для передачи конфиденциальных документов и межведомственной связи. В России ведётся создание национальной квантовой сети для министерств и стратегических объектов [5].

Военные и оборонные системы.

Квантовая криптография применяется для создания защищённых линий связи, недоступных для перехвата [4,6].

Перспективы.

Ожидается развитие гибридных систем, объединяющих квантовую и постквантовую криптографию, и формирование глобальной сети квантовой связи [3,5,6,7].

7. Атаки на квантовые системы и методы защиты

Хотя квантовая криптография теоретически обеспечивает абсолютную безопасность, в реальной практике возможны атаки на её реализацию [3,4,5].

• Side-channel attacks — использование физических утечек (побочных сигналов детекторов) [4].

• Detector blinding attacks — манипулирование чувствительностью детекторов [4,5].

• Trojan-horse атаки — внедрение паразитных сигналов в квантовый канал [3].

Для защиты применяются улучшенные схемы детекторов, протоколы контроля целостности каналов и гибридные квантово-постквантовые системы [4,5].

8. Перспективы развития

Мировое сообщество активно инвестирует в квантовые технологии [5,6]. Создание глобального квантового интернета рассматривается как одна из стратегических задач ближайших десятилетий [3,6]. Крупнейшие корпорации — IBM, Google, Microsoft, Toshiba, Huawei — уже строят экспериментальные сети, а правительства ряда стран разрабатывают национальные программы по квантовой безопасности [5]. Россия также участвует в этом процессе. Развитие квантовой связи включено в программу «Научно-технологическое развитие Российской Федерации» [6]. В дальнейшем квантовая и постквантовая криптография будут сосуществовать, образуя гибридные системы защиты, обеспечивающие устойчивость к атакам как классических, так и квантовых компьютеров [3-5,8].

9. Проблемы и ограничения квантовых систем безопасности

Несмотря на высокий уровень теоретической безопасности, квантовая криптография сталкивается с рядом серьёзных технических и организационных проблем [3,4,5].

1. Технические ограничения.

Квантовые каналы связи требуют идеально чистых оптических условий и стабильного оборудования. Любые внешние воздействия — температурные колебания, вибрации, пыль — могут нарушить передачу фотонов и исказить данные [4]. Передача на большие расстояния также остаётся проблемой: затухание сигнала в оптоволокне ограничивает длину канала примерно 100–200 км без использования повторителей. Разработка квантовых ретрансляторов и спутниковых каналов пока находится на стадии активных исследований [6].

2. Высокая стоимость и сложность внедрения.

Создание квантовых линий связи требует дорогостоящего оборудования — лазеров, фотонных детекторов, криогенных систем, а также квалифицированного персонала [5,7]. Поэтому на данный момент подобные решения применяются в основном в научных и государственных проектах, а не в массовом коммерческом секторе.

3. Стандартизация и совместимость.

Отсутствие единых международных стандартов замедляет интеграцию квантовых систем между странами и организациями [7,8]. Существующие протоколы QKD (BB84, E91 и др.) реализуются по-разному, что приводит к несовместимости оборудования разных производителей.

4. Уязвимость реальных реализаций.

Хотя сама теория квантовой криптографии предполагает абсолютную безопасность, физические устройства подвержены атакам через побочные каналы — например, манипуляции с детекторами, внедрение паразитных сигналов (Trojan-horse attacks) и воздействие на источники света [4,5]. Решение этих проблем требует постоянной оптимизации аппаратной части и разработки протоколов самопроверки [5].

5. Юридические и этические аспекты.

Переход к квантовой инфраструктуре требует международного правового регулирования. Вопросы сертификации, ответственности при сбоях и кибератаках, а также доступ государства к защищённым каналам остаются открытыми [7].Таким образом, дальнейшее развитие квантовой криптографии невозможно без комплексного решения как технических, так и организационно-нормативных задач [5,7,8].

10. Будущее квантовой кибербезопасности и направления исследований

Современная квантовая криптография находится на пороге массового применения, но для её полноценного внедрения необходимы новые технологические и теоретические подходы [3,5,8].

1. Гибридные криптосистемы.

Наиболее перспективным направлением является интеграция квантовых и постквантовых методов защиты в рамках единой инфраструктуры. Такие гибридные системы позволяют использовать преимущества квантового распределения ключей (QKD) и устойчивость постквантовых алгоритмов к атакам на классических каналах [5,8].

2. Интеграция с искусственным интеллектом.

ИИ способен повысить устойчивость квантовых сетей за счёт адаптивного управления каналами, анализа помех и прогнозирования атак [7]. Исследуются модели, где машинное обучение используется для оптимизации маршрутов квантовой передачи и снижения ошибок в реальном времени [8].

3. Развитие квантовых сетей нового поколения.

Проекты по созданию квантового интернета направлены на объединение локальных QKD-сетей в единую распределённую инфраструктуру [6]. Ведутся работы по разработке квантовых ретрансляторов и спутниковых систем связи (например, китайский спутник Micius в рамках проекта QUESS) [6,7].

4. Новые материалы и технологии.

Создаются фотонные чипы и интегрированные квантовые модули, позволяющие миниатюризировать оборудование и повысить стабильность систем [4]. Квантовые сенсоры нового поколения способны обеспечивать детекцию с точностью до отдельных фотонов, что открывает путь к промышленным приложениям квантовой криптографии [5,8].

5. Международное сотрудничество и образование.

Расширяются исследовательские инициативы — OpenQKD (Европа), Quantum Flagship, NIST PQC Project (США), а также российская программа развития квантовой связи. Создание кадрового резерва и подготовка специалистов по квантовым технологиям становится ключевым направлением для устойчивого развития этой сферы [7,8]. В будущем ожидается переход от лабораторных экспериментов к повсеместному внедрению квантовых коммуникаций в промышленности, транспорте, банковской сфере и управлении критической инфраструктурой. Квантовая кибербезопасность станет базовым элементом цифрового суверенитета государств [5,7,8].

Заключение

Квантовая криптография — это переход к новому уровню защиты данных, основанному на законах физики. Её сочетание с постквантовыми алгоритмами создаёт комплексную систему защиты, устойчивую к современным и будущим угрозам [3,4,5]. Переход к таким технологиям потребует времени и инвестиций, но является необходимым шагом для обеспечения кибербезопасности в эпоху квантовых вычислений [5,8].

Списоклитературы

1. Proceedings of IEEE International Conference on Computers, Systems and Signal Processing. — Bangalore, 1984. — С. 175–179.

2. Physical Review Letters. — 1991. — Т. 67, № 6. — С. 661–663.

3. Pirandola S., Andersen U. L., Banchi L.Advances in Optics and Photonics. — 2020. — Т. 12, № 4. — С. 1012–1236.

4. Соловьёв В. В. Квантовая информатика. — М.: Физматлит, 2021. — 312 с.

5. Кузнецов С. П. Постквантовая криптография: обзор методов и алгоритмов // Вестник МФТИ. — 2022. — Т. 14, № 3. — С. 45–59.

6. Российский квантовый центр. Квантовые коммуникации и безопасность. — М., 2023. — 120 с.

7. IDQuantique. Квантовые технологии защиты данных. — Женева: IDQPublications, 2022. — 95 с.

8. NIST. Постквантовые криптографические стандарты. — Вашингтон: NIST, 2024. — 140 с.

Код для цитирования: Скопировать