Искусственный интеллект и современные технологии защиты данных как инновационные инструменты экономической безопасности

В условиях развития цифровой экономики информация становится все более значимым ресурсом для большинства компаний [1]. В этой связи предметные области экономической безопасности [2], технологической безопасности [3] и информационной безопасности [4] всё более смыкаются между собой, формируя единое предметное поле комплексной безопасности. При этом, проблему составляет то, что указанная интеграция затруднена в силу недостаточного развития технических и организационных инструментов для ее осуществления. На роль такого инструмента сегодня все более активно претендуют квантовые технологии.

Квантовые методы представляют собой революционную технологию, которая значительно превосходит традиционные компьютеры по скорости обработки данных. Такие вычисления открывают двери для анализа огромных объёмов информации с огромной скоростью, которая ранее считалась практически невозможной [5, с. 89]. Однако такая технология имеет как преимущества, так и риски в применении. С одной стороны, квантовые вычисления позволяют разрабатывать более надёжные методы шифрования. С другой стороны, злоумышленникам они дают возможность намного быстрее взламывать существующие системы защиты. Таким образом, квантовые технологии одновременно становятся инструментом как защиты, так и атак.

Одним из ключевых вкладов квантовых технологий является создание системы распределения квантовых ключей (QKD), которые обеспечивают безопасный обмен данными, например, криптографическими ключами, даже при наличии угроз со стороны третьих лиц. Наиболее распространённые алгоритмы шифрования и аутентификации, такие как RSA и AES, основываются на сложных вычислительных процессах для генерации ключей. Чем больше объём данных, который необходимо защитить, тем более ресурсоёмким становится процесс создания пары ключей. Но такая система значительно повышает уровень безопасности в сфере коммуникаций. Кроме того, квантовые вычисления могут оперативно обрабатывать большие объёмы данных, что обеспечивает более точное и быстрое обнаружение аномалий в зашифрованных потоках информации. То есть система позволяет выявлять кибератаки в режиме реального времени [6, с. 43].

Таким образом, с развитием вычислительных технологий, включая появление квантовых вычислений, традиционные методы шифрования отходят на второй план [7, с. 46]. В этой связи разработка современных методов шифрования, основанных на применении искусственного интеллекта (ИИ), становится одним из наиболее перспективных направлений исследований. Искусственный интеллект открывает уникальные возможности в криптографии, позволяя создавать адаптивные системы шифрования. Такие системы могут самостоятельно анализировать существующие и потенциальные угрозы, а также динамически модифицировать алгоритмы защиты данных в зависимости от уровня риска.

Материалы и методы исследования

В Дорожной карте развития квантовых технологий отмечено, что достижения так называемой «первой квантовой революции» открыли двери для фундаментальных технологических преобразований, результаты которых мы активно используем и сегодня. Именно благодаря этому этапу появились такие ключевые открытия, как лазеры, транзисторы и даже ядерное оружие, что стало отправной точкой для создания и развития многочисленных устройств, используемых в повседневной жизни. Среди них – компьютеры, мобильные телефоны, МРТ-сканеры и множество других высокотехнологичных устройств [8, с. 46]. Эти инновации стали основой для развития современной электронной и цифровой промышленности.

Сегодня мир находится на пороге новой вехи в истории науки и технологий – «второй квантовой революции». Её ключевая особенность заключается в переходе от изучения квантовых явлений к их активному практическому применению и созданию совершенно новых технологических продуктов. Перечень таких продуктов весьма обширен и охватывает самые разные сферы, начиная от информационной безопасности и заканчивая высокоточными измерениями. Важность развития данного направления была подчёркнута Российской академией наук (РАН), которая активно участвует в исследовательской и прикладной работе по этой тематике, что отражено в Постановлении Президиума РАН от 18.05.2021 № 79 «О состоянии и перспективах развития квантовых технологий в Российской Федерации».

Тенденции и перспективы цифровой экономики в контексте экономической безопасности

Россия, осознавая стратегическое значение квантовых технологий, выделила три приоритетных направления, которым оказана государственная поддержка:

• 1.    Квантовые вычисления. Это совершенно новый класс вычислительных устройств, работа которых основывается на принципах квантовой механики. Такие устройства обладают потенциалом для решения сложных задач в сжатые сроки по сравнению с традиционными компьютерами. Их применение особенно востребовано в криптографии, моделировании сложных химических реакций, разработке лекарств и оптимизационных задачах.

• 2.    Квантовые коммуникации. Сюда входят технологии, обеспечивающие криптографическую защиту информации на принципах квантовой механики. Они отличаются абсолютной безопасностью, поскольку любая попытка перехвата квантового сигнала неизбежно оставляет след, позволяя своевременно выявлять такие атаки. Развитие квантовых коммуникаций становится всё более актуальным в условиях повышенных требований к защите конфиденциальной информации.

• 3.    Квантовые сенсоры и метрология. Совокупность высокоточных измерительных приборов, работающих на основе квантовых эффектов. Такие приборы могут использоваться в самых различных областях – от медицины до навигационных систем и геофизики. Приборы обеспечивают точность измерений, прежде недостижимую. Например, квантовые сенсоры способны улучшить систему диагностики в здравоохранении, повысить точность мониторинга состояния окружающей среды или революционизировать методы геологоразведки.

Перечисленные квантовые технологии важны не только с точки зрения их экономического и научного потенциала, но и благодаря их стратегической значимости для обеспечения национальной безопасности и сохранения технологической независимости. Особенно важно это в современных условиях, когда на первый план в экономической политике выдвигается задача достижения технологического суверенитета [9], которая тесно связана с обеспечением экономической безопасности, нарушенной вследствие антироссийских санкций [10]. Российская Федерация сегодня активно развивает эту сферу, поддерживая исследовательские проекты, создавая научно-технические альянсы и привлекая к сотрудничеству научные коллективы и промышленные компании.

В перспективе «вторая квантовая революция» обещает не только радикальные изменения в существующих технологических цепочках, но и создание новых отраслей экономики. Квантовые технологии могут стать основой для глобальной конкурентоспособности и обеспечить лидирующие позиции тем странам, которые успешно внедрят их в свои национальные стратегии развития.

Новые подходы к обеспечению безопасности в эпоху квантовых технологий и вычислений

Анализ зарубежного законодательства и правоприменительной практики позволяет выделить два основных подхода к обеспечению информационной безопасности в условиях развития квантовых технологий и появления квантовых компьютеров (см.: .

Первый подход – это использование квантово-устойчивых алгоритмов шифрования (Post-Quantum Cryptographic Algorithms). Такие алгоритмы представляют собой класс криптографических методов, которые разрабатываются с учетом угроз, связанных с мощностями квантовых компьютеров. Основной целью таких алгоритмов является обеспечение защищённости данных даже при условии, что злоумышленник обладает квантовым устройством с высокой вычислительной мощностью.

В отличие от традиционных алгоритмов, квантово-устойчивые алгоритмы опираются на математические задачи, которые остаются сложными для решения даже для квантовых компьютеров (такие, как проблемы на решётках, многомерные полиномы или изогенные эллиптические кривые). Квантовоустойчивые алгоритмы позволяют продолжать использовать привычные системы шифрования, применимые в таких традиционных приложения, как электронная почта, электронные платежи или облачные сервисы, с минимальными изменениями инфраструктуры.

Второй подход – это применение технологии квантового распределения ключей (Quantum Key Distribution, QKD). Данный метод базируется на фундаментальных принципах квантовой механики, таких как суперпозиция и запутанность, что делает его по-настоящему революционным. QKD обеспечивает безопасную передачу шифровальных ключей: любая попытка перехвата квантового сигнала будет мгновенно выявлена, поскольку сам факт наблюдения за квантовой системой изменяет её состояние.

Данная технология позволяет исключить традиционные уязвимости, присущие существующим методам передачи ключей, и обеспечивает беспрецедентный уровень защиты данных. Технология является особенно ценной в таких сферах, как государственное управление, финансовые институты или в системе «Умные города», где безопасность коммуникаций имеет стратегическое значение.

Национальный институт стандартов и технологий (NIST) является ведущим в разработке и анализе постквантовых криптографических алгоритмов, что и вывело организацию в лидеры мирового сообщества в данной области. Одной из главных инициатив, которая способствовала этому, стал глобальный открытый конкурс по выбору постквантовых криптографических алгоритмов, объявленный в 2018 году. Этот конкурс, стал своеобразной платформой для выявления наиболее надёжных методов защиты информации в условиях угроз со стороны квантовых вычислений со всего мира (см.: quantum-security-technologies).

На первом этапе конкурса было представлено 50 криптографических алгоритмов, которые разработали различные научные учреждения и компании. Среди участников фигурировали ведущие университеты, такие как Корейский университет, Китайская академия наук, Университет Сорбонны и Университет Ватерлоо, а также крупные технологические корпорации, включая IBM Research, Microsoft, Philips Research, Intel и многие другие. Эти организации предложили алгоритмы шифрования, устойчивые к атакам квантовых компьютеров. Их задачей была эффективная защита данных.

Основное внимание в конкурсе было уделено разработке и тестированию алгоритмов. Например, большинство современных асимметричных криптографических систем базируется на задачах факторизации целых чисел (RSA) или дискретного логарифмирования (ECDSA и DH). Несмотря на свою безопасность в классических условиях, данные методы считаются уязвимыми перед алгоритмами, способными эффективно решать такие задачи, например перед алгоритмом Шора (см.: . Поэтому исследователи сосредоточили свои усилия на создании решений, основанных на других математических проблемах, сложность которых сохраняется даже для квантовых вычислений, включая систему решёток (lattice-based cryptography), кодов (code-based cryptography), многочленов (multivariate cryptography) и изогений эллиптических кривых (isogeny-based cryptography).

Победившие алгоритмы стали основой международных стандартов постквантовой криптографии и начали внедряться в различные системы по всему миру. Квантовая отрасль сегодня продолжает демонстрировать огромный потенциал, несмотря на общий спад инвестиций в технологический сектор (см.: . В 2023 году, на фоне общего сокращения вложений более чем на 50%, квантовые вычисления смогли привлечь 1,2 млрд долларов от венчурных фондов. Сегодня инвесторы уверены в перспективах развития этой сферы и ее возможности радикально изменить ряд индустрий [11, с. 8]. Аналитики выделяют пять основных тенденций, которые будут определять развитие глобальной отрасли квантовых вычислений в ближайшие годы:

• 1.    Классические вычисления, которые продолжают развиваться, демонстрируя впечатляющий рост, способствуя достижениям в области аппаратного обеспечения, таких как графические процессоры (GPU), а также совершенствование алгоритмов, библиотек и фреймворков, предназначенных для искусственного интеллекта. Такие вычисления не только повышают производительность, но и расширяют возможности анализа больших данных и решают сложные задачи.

• 2.    Одновременно с этим развиваются квантовые технологии, подтверждая свою устойчивость для вычислительных систем. Одним из ключевых показателей прогресса в этой области является количество физических кубитов, которое характеризует вычислительную мощность квантовой системы. С 2018 года число кубитов в квантовых схемах удваивается каждые один-два года, отражая стремительный технологический прогресс. Этот темп роста, который можно сравнить с законом Мура в области классических вычислений, подчеркивает потенциал квантовых технологий.

• 3.    Квантовая коррекция ошибок (QEC) представляет собой одно из ключевых направлений в развитии квантовых вычислений. Ошибки в квантовых системах являются серьезной проблемой, так как квантовые состояния крайне хрупки и подвержены внешним воздействиям, таким как шумы, флуктуации окружающей среды и ошибки при взаимодействии кубитов, что может привести к искажению или потере информации, а также значительно снизить точность вычислений или даже полностью обесценивают результаты [12, с. 10]. Для решения этой проблемы ученые разработали методы квантовой кор-

• рекции ошибок, которые нацелены на минимизацию влияния ошибок и повышение надежности квантовых систем. В отличие от классических систем, где данные могут дублироваться для их защиты, в квантовых системах прямое копирование квантового состояния невозможно из-за принципа неделимости и запрета на клонирование квантовых состояний (no-cloning theorem). Поэтому подходы квантовой коррекции работают иначе, используя распределение информации среди нескольких кубитов посредством специальных квантовых кодов.

• 4.    Инвестиции корпоративного сектора. Несмотря на огромный потенциал квантовых вычислений в отдельных отраслях, на 2024 год эта технология по-прежнему находится на стадии развития и предоставляет ограниченные возможности для мгновенной выгоды большинству компаний. Квантовые вычисления пока остаются на ранней фазе своего становления, из-за чего их практическая ценность для широкого применения невелика. Недостаточно программных приложений для использования потенциала квантовых вычислений [13]. Инвестиции в эту область оказываются наиболее оправданными для тех предприятий, которые либо смогут получить значительные преимущества по мере совершенствования технологий коррекции ошибок, либо намерены захватить лидерские позиции и преимущества первопроходцев в своей отрасли. Для таких организаций квантовые вычисления могут предоставить значительный рывок в будущем, особенно после достижения технического прорыва.

• 5.    Смещение фокуса в квантовой сфере. На текущем этапе основное внимание разработчиков сосредоточено на увеличении количества кубитов в квантовых процессорах, поскольку повышение их числа является одним из главных показателей вычислительных возможностей квантовых систем. Однако эксперты Boston Consulting Group (BCG) прогнозируют, что в ближайшем будущем фокус квантовой индустрии заметно расширится, охватывая более широкий спектр задач и направлений развития (см.: https://www.tadviser.ru/index.php/Компания:Boston_Consulting_Group_(BCG )). Одним из ключевых направлений станет снижение уровня шумов, которые являются одной из главных проблем квантовых систем. Шумы ведут к ошибкам, и их минимизация необходима для повышения точности и стабильности вычислений.

Совершенствование методов коррекции ошибок также станет приоритетом, так как это существенно приблизит квантовые системы к практическому применению. Кроме того, важным этапом станет разработка более удобных и эффективных методов загрузки данных в квантовые компьютеры. Данное направление потребует создания интерфейсов и алгоритмов, которые позволят оптимально переводить задачи из классической среды в формат, понятный квантовой системе [14]. Без такого шага даже мощные квантовые системы будут ограничены в своей применимости.

В будущем разработчики будут уделять большое внимание не только увеличению числа кубитов, но и совершенствованию их качества, надежности и стабильности. Одной из ключевых задач станет создание энергоэффективных решений, снижение размера и стоимости оборудования, делая квантовые технологии доступнее. Таким образом, развитие данной области будет направлено не только на повышение вычислительных возможностей, но и на их практическую интеграцию в реальный бизнес.

Заключение

Таким образом, сегодня современные вызовы в области защиты информации требуют кардинального переосмысления существующих подходов к обеспечению информационной безопасности, которая в эпоху цифровизации становится фундаментом экономической стабильности. Постоянный рост киберугроз диктует необходимость внедрения передовых технологий, таких как квантовые вычисления и искусственный интеллект. Квантовые технологии, в частности методика квантового распределения ключей (QKD), представляют собой революционный шаг в сфере информационной безопасности.

Благодаря применению основных принципов квантовой механики обеспечивается возможность мгновенного распознавания попыток перехвата данных. Роль искусственного интеллекта в области кибербезопасности с каждым годом становится всё более значимой. ИИ позволяет анализировать большие объёмы данных, выявлять аномалии в режиме реального времени и автоматически адаптировать алгоритмы защиты к новым угрозам. Такие системы предоставляют высокую степень адаптивности, позволяя оперативно реагировать на изменения в киберугрозах и обеспечивать устойчивость защитных механизмов в условиях неопределённости.