Дмитрий Гусев: Квантовое будущее кибербезопасности: революция или эволюция?

Разговоры о квантовом компьютере и постквантовой криптографии активно ведутся уже несколько лет. Сведет ли появление эффективного квантового компьютера к нулю возможности современных систем безопасности? Какие задачи решают системы квантового распределения ключей, разрабатываемые компанией «ИнфоТеКС», от каких угроз они защищают и насколько массовым явлением может стать квантовая криптография в России? На вопросы IT Manager про квантовую криптографию и не только ответил Дмитрий Гусев, заместитель генерального директора компании «ИнфоТеКС». 

Что такое технология квантового распределения ключей, как она применяется в ИБ?

Название технологии отражает ее суть – распределение криптографических ключей защиты на основе квантовых технологий. В первую очередь технология призвана защитить от человеческого фактора, от хищения/утери криптографических ключей защиты, которые используются в обычных криптографических средствах защиты информации. Ключи формируются и распределяются между абонентами с использованием фундаментальных законов квантовой физики, которые запрещают возможность копирования состояний единичных квантов энергии, в нашем случае фотонов, без влияния на них. Это значит, что подслушать незаметно или навязать свой ключ не получится. При этом такие квантовозащищенные ключи формируются и распределяются очень быстро – за минуты, что еще больше осложняет задачу нарушителя, если он попробует эти ключи извлечь уже не из квантового канала, а из самих средств криптографической защиты информации (СКЗИ) – потребителей таких ключей.

Это новый шаг в развитии информационной безопасности? Какие исследования проводятся для определения защищенности при использовании систем КРК?

Несомненно, это новый шаг в технологиях ИБ. Впервые для решения задач защиты информации – в данном случае надежной выработки и защиты ключей - используется не просто очередная придумка человека: новый математический аппарат, искусственный интеллект, эффективный программный код или новый чип, а фундаментальные законы природы! Но при этом всегда следует помнить, что системы КРК – это не «серебряная пуля» информационной безопасности, которая защитит всех нас от любых компьютерных атак. Да, это новые принципы, но реализованные в конечной аппаратуре, у которой есть свои ограничения, которые, в свою очередь, являются основным объектом исследований надежности и защищенности при использовании систем КРК. Например, если засветить детектор квантового приемника ярким светом фонарика, он будет постоянно выдавать «единички», идеального квантового механизма не получится. Можно мощным импульсом просветить квантовый передатчик и по отражению от его элементов понять, какие там использовались случайные числа. Эта ситуация известна как атака «троянский конь». А можно ухудшить квантовые свойства системы за счёт того, что она выпускает информацию не одиночными фотонами, а по нескольку фотонов. Тогда эти фотоны можно будет расщеплять, часть отдавать приемнику, а часть забирать себе, то есть злоумышленнику. С этой целью придумана атака лазерного повреждения — повреждение мощным лазерным импульсом внутренних элементов формирователя квантовых состояний передатчика. При этом вся магия квантовой защищённости — абсолютная стойкость и секретность — тут же разрушается.

Таких довольно грубых способов атаки придумано немало. Соответственно принято считать, что те системы, которые на нынешнем технологическом уровне защищены от всех известных на настоящий момент атак, довольно стойкие. Собственно, это и является главным содержанием испытаний в ходе сертификации квантовых решений в ФСБ России. 

Что такое постквантовая криптография, о которой много говорят в последнее время?

Ранее я уже обозначил основную задачу, решаемую системами КРК, – это независимое от человеческого фактора и надежное распределение ключей защиты для СКЗИ. А далее следует пояснить, что все СКЗИ строятся на базе тех или иных криптографических алгоритмов, которые делят на симметричные (для шифрования и расшифровывания используется один и тот же ключ защиты) и асимметричные (для шифрования используется один ключ, а для расшифрования уже другой ключ, специальным образом связанный с первым). Когда вы открываете браузер на своем компьютере или смартфоне и подключаетесь к Интернету, почти всегда ваше соединение с web-сайтами защищено протоколами SSL/TLS, в основе которых лежит асимметричная криптография. Также на базе асимметричной криптографии строятся практически все современные схемы электронной подписи, которые сейчас используются повсеместно в электронном документообороте: государственных информационных системах, банковских и пр.

И здесь следует пояснить, почему при обсуждении квантовой криптографии всегда вспоминают квантовый компьютер. Предполагается, что квантовый компьютер станет угрозой существующим системам криптозащиты – тем самым СКЗИ. Он, действительно, при достижении заданной «мощности» будет способен эффективно взламывать современные асимметричные криптоалгоритмы. Симметричная криптография, которая вместе с квантовой физикой лежит в основе реализации систем КРК, в меньшей степени подвержена угрозам атак со стороны квантового компьютера. И здесь основным фактором противодействия угрозе применения квантового компьютера становится способность систем КРК быстро формировать новые ключи защиты – сейчас это несколько ключей в минуту, чтобы все преимущества квантового компьютера могли быть сведены на нет. Непосредственно же с атаками со стороны квантового компьютера на современные криптоалгоритмы призвана бороться новая криптография – постквантовая.

Это чистая математика, там совсем нет физики. А постквантовой она называется только потому, что математические алгоритмы, положенные в ее основу, не могут быть взломаны на квантовом компьютере. Но не потому, что есть какие-то фундаментальные законы природы, запрещающие такой взлом, а просто потому, что математики еще не придумали, как это сделать. 

«ИнфоТеКС» – одна из трех компаний в России, которая производит системы квантового распределения ключей. Расскажите подробнее, как они построены?

Все системы КРК строятся из двух базовых элементов – квантового передатчика и квантового приемника, соединенных квантовой линией связи, а также обычной линией связи для синхронизации состояний передатчика и приемника. Эта связка позволяет строить разные комбинации-топологии систем КРК – от простейшей «точка-точка» до распределенных магистральных систем КРК со множеством ответвлений для доставки квантовозащищеных ключей конечным потребителям.

Квантовый передатчик умеет излучать единичные кванты энергии (фотоны) в заданном состоянии – в этих состояниях кодируется информация, определяющая будущий ключ. А квантовый приемник умеет детектировать единичные кванты также в заданном состоянии. Но неправильно думать, что при этом ключ формируется в передатчике и по одному фотону передается в приемник. Всё хитрее. Ключ одновременно формируется как в передатчике, так и в приемнике из совершенно разных исходных случайных чисел благодаря работе специального квантового протокола, который управляет в передатчике процессом подготовки состояний единичных квантов, а в приемнике – их обработкой, а также работой канала синхронизации. Такая сложность нужна для того, чтобы исключить попытки считывания состояний единичных квантов в квантовом канале и навязывания ложных.

Важной составляющей квантового передатчика и приемника является квантовый же датчик случайных чисел (ДСЧ). Без него невозможна генерация надежных криптографических ключей – уточню, что речь идет о симметричных ключах длиной 256 бит. В отличие от обычных ДСЧ, квантовый умеет формировать случайные числа очень быстро – миллионы бит в секунду. Это необходимо для того, чтобы обеспечить высокую скорость формирования в квантовой части передатчика и приемника «сырых» ключей. Ведь следом в работу включаются алгоритмы «просеивания» «сырого» ключа и усиления секретности, решающие в том числе задачу защиты от известных методов атак на реализации систем КРК.

В итоге работы всей этой достаточно сложной схемы передатчик с приемником синхронно порождают итоговый квантовозащищенный симметричный ключ, который уже по обычному каналу загружается в СКЗИ. Очевидно, что этот канал загрузки ключей также должен быть защищен, либо в некоторых реализациях квантовые передатчики и приемники объединяют с СКЗИ в единые устройства.

Теоретически ничто не ограничивает расстояние между квантовым передатчиком и приемником, но на практике устойчивая работа пока ведется на расстоянии до 100 км. Здесь речь о волоконно-оптических линиях связи, на которых строятся квантовые каналы. Есть еще КРК, работающие через атмосферу, либо вообще через спутники, но такие системы пока еще не выведены на уровень массово производимых коммерческих систем. Поэтому при построении магистральных протяженных систем КРК используют принцип доверенных узлов-посредников, которые представляют собой связку квантового приемника и передатчика. На каждые 100 км свой узел-посредник. К сожалению, для КРК противопоказаны обычные оптические усилители-ретрансляторы сигнала – они разрушают квантовые состояния единичных квантов в оптоволокне. Как в этом случае можно получить общий ключ между первым и последним узлом в такой магистрали? Сначала на первом узле формируется случайное число – оно и будет итоговым ключом. Далее между первым и вторым узлом вырабатывается свой ключ защиты, назовем его ключом №1. Итоговый ключ с первого узла шифруется на ключе №1 и по обычному каналу передается на второй узел. Здесь он расшифровывается – второй узел знает ключ №1 - и шифруется на ключе №2, который вырабатывается уже в связке между вторым и третьим узлом. И так далее до последнего узла, пока до него не дойдет итоговый ключ. Получается такая цепочка выработки и передачи ключей. Есть и другие схемы формирования итогового ключа.

Это абсолютно новое для России направление. Где собирается такое оборудование и насколько мы импортонезависимы в этом направлении?

О полном уровне замещения пока говорить нельзя. Существующее оборудование в большей степени построено на зарубежной элементной базе. Но само по себе оборудование разрабатывается, проектируется и программируется в России, российскими инженерами и учеными. У нас есть уже не просто экспериментальные установки в лабораториях или опытные образцы, а запущено серийное производство, оно локализовано в Томске.

Вместе с партнерами мы работаем над замещением элементной базы в квантовом оборудовании, в первую очередь в области фотоники: тех самых излучателей и детекторов одиночных фотонов. Кроме этого, требуется замещение разнообразных вспомогательных элементов, позволяющих управлять состояниями фотонов.

Помимо фотоники, в квантовом оборудовании нужна еще и классическая микроэлектроника. Это быстрые и эффективные процессоры, электронные схемы обработки сигналов. К сожалению, сейчас с этими позициями есть сложности.

В 2024 году мы планируем запуск нового научно-производственного комплекса в Томске. Основными задачами проекта являются увеличение масштабов производства программно-аппаратных комплексов средств защиты информации, в первую очередь систем КРК, и развитие нашего кадрового потенциала в этом направлении. Площадь комплекса составит не менее 7500 квадратных метров.

Это означает, что есть потребность в таком оборудовании?

Да, на государственном уровне уже несколько лет активно реализуется программа «Квантовые коммуникации» на базе РЖД. В ней мы принимаем самое активное участие. Есть практический интерес и со стороны других крупных заказчиков. 

Системы КРК – только одно из направлений вашей работы. Какие еще продукты для защиты информации активно развивает «ИнфоТеКС» и что наиболее востребовано среди ваших заказчиков?

Продукция компании «ИнфоТеКС», наиболее известная по решению защиты каналов связи корпоративных сетей, сегодня представляет собой современный комплекс решений для защиты информации, ориентированный на защиту от актуальных угроз информационной безопасности. Мы предлагаем решения по обнаружению и пресечению угроз и вторжений, защите серверов и рабочих станций от несанкционированного доступа, решения по защите мобильных устройств и коммуникаций, ИБ АСУ ТП, IIoT, криптографические сервисы и библиотеки, модули для встраивания и многое другое.

Хочу отметить, что мы одними из первых среди отечественных вендоров начали заниматься разработкой NGFW. Сегодня ViPNet xFirewall уверенно входит в топ-5 межсетевых экранов на российском рынке и является востребованным продуктом у наших заказчиков. ГК «ИнфоТеКС» одна из немногих компаний, которая разрабатывает сигнатуры для систем обнаружения и предотвращения вторжений. В составе продуктов ViPNet используются сигнатуры, разработанные АО «Перспективный мониторинг» (ГК «ИнфоТеКС»), на сегодняшний день для ViPNet IDS HS создано более 24 000 сигнатур, в ViPNet xFirewall также используются собственные сигнатуры – их более 6000.

В пятом поколении продуктов ViPNet, которое мы представили в этом году, реализован принцип кросс-платформенности, что позволит заказчикам на более удобной и гибкой основе выстраивать и осуществлять управление своими системами защиты информации, а также решать задачи импортозамещения.