Ключевые аспекты подготовки специалистов в области квантовых коммуникаций

В настоящее время квантовые технологии являются одним из самых актуальных направлений научных исследований, как в России, так и за рубежом. Общепринято выделять три основных направления развития квантовых технологий: квантовые вычисления, квантовые сенсоры и квантовые коммуникации. В рамках направления «квантовые вычисления» разрабатываются вычислительные устройства, принцип работы которых основан на законах квантовой механики. Потенциально квантовые компьютеры позволяют решать определенные задачи гораздо быстрее, чем классические компьютеры. Области применения квантовых вычислений: системы искусственного интеллекта, финансовый сектор, криптография, оптимизации, химическая промышленность, медицина и фармацевтика, логистика.

К квантовым сенсорам относится класс сверхточных и высокочувствительных измерительных устройств, работающих на квантовых эффектах. В качестве основных сфер применения квантовых сенсоров выделяют системы навигации, геодезии, гравиметрии, диагностическую медицину.

К направлению квантовых коммуникаций относятся технологии криптографической защиты информации, использующие свойства квантовых систем для безопасного распределения ключей шифрования. Данная технология позволяет предотвратить потенциальные угрозы информационной безопасности со стороны квантовых компьютеров. Основными областями применения квантовых коммуникаций являются государственная безопасность, объекты критической инфраструктуры, банковская сфера, здравоохранение и т.д.

На сегодняшний день направление квантовых коммуникаций является одной из наиболее зрелых и быстроразвивающихся технологий. По мере развития и расширения сфер применения квантовых коммуникаций растет потребность в высококвалифицированных специалистах, способных решать сложные задачи на стыке информатики, физики и криптографии. В настоящее время университеты и исследовательские центры по всему миру открывают новые образовательные программы, нацеленные на подготовку специалистов в этой области. В ближайшие годы такие специалисты станут ведущими игроками в создании коммуникационных систем, лежащих в основе цифровой экономике будущего.

Особенности подготовки специалистов в области квантовых коммуникаций в России

В России выделяют следующие виды (уровни) образования [1]:

– общее образование (дошкольное образование, начальное общее образование, основное общее образование, среднее общее образование);

– профессиональное образование (среднее профессиональное образование, высшее образование – бакалавриат, высшее образование – специалитет, магистратура, высшее образование – подготовка кадров высшей квалификации);

– дополнительное образование (дополнительное образование детей и взрослых, дополнительное профессиональное образование);

– профессиональное обучение (подготовка по профессиям рабочих и должностных служащих).

Обучение специалистов в области квантовых коммуникаций может затрагивать все виды (уровни) образования, однако в данной статье рассматриваются особенности обучения специалистов на следующих уровнях образования:

– профессиональное образование – высшее образование по программам бакалавриата и магистратуры;

– дополнительное профессиональное образование – повышение квалификации и профессиональная переподготовка.

На рисунке 1 приведена структура подготовки специалистов. На уровне бакалавриата студенты приобретают достаточные фундаментальные знания и практические навыки для работы в отрасли квантовых коммуникаций на уровне инженера. На уровне магистратуры обучающиеся проходят подготовку, необходимую для ведения науч- но-исследовательской деятельности. Последним уровнем является подготовка кадров высшей квалификации в аспирантуре, где обучающиеся получают углубленные знания по данному направлению и проводят самостоятельное научное исследование.

В России программы профессионального и дополнительного профессионального образования разрабатываются с учетом требований к знаниям специалистов, которые прописываются в профессиональных стандартах. Профессиональные стандарты совместно разрабатываются объединениями работодателей, работодателями, профессиональными сообществами, саморегу-лируемыми организациями и иными некоммерческими организациями с участием организаций высшего и профессионального образования, а также других заинтересованных организаций. Координирует разработку профессиональных стандартов Министерство труда и социальной защиты Российской Федерации [2]. Это сделано для того, чтобы программы профессионального образования учитывали современные требования работодателей к выпускникам, а выпускники обладали не только теоретическими знаниями, но и практическими навыками, необходимыми для работы в реальных условиях. На сегодняшний день по квантовым коммуникациям в России разработаны и действуют два профессиональных стандарта, требования которых нужно учитывать при разработке программ обучения [3; 4]:

– 06.050 «Специалист по монтажу и технической эксплуатации квантовых сетей»;

– 06.054 «Специалист по исследованиям и разработкам в области квантовых коммуникаций».

Рисунок 1. Процесс подготовки специалистов в области квантовых технологий

Концепция обучения специалистов по направлению квантовых коммуникаций

Рассмотрим задачи, которые необходимо решить при разработке программ обучения специалистов в области квантовых коммуникаций. Для того, чтобы сформулировать требования к знаниям и практическим навыкам будущего специалиста, рассмотрим типовую структуру участка сети квантового распределения ключа (КРК) (рисунок 2).

Таким образом, можно выделить три основных слоя, определяющих специфические требования к знаниям специалиста:

– первый слой соответствует уровню квантового канала и оборудования КРК;

– второй слой соответствует уровню информационной безопасности и средств криптографической защиты информации;

– третий слой соответствует уровню инфокоммуникаций и оборудованию сетей связи.

Для работы на слое 1 специалист должен: знать основы квантовой криптографии и основные протоколы КРК; обладать знаниями об установке, настройке и эксплуатации оборудования КРК; знать принципы организации квантовых каналов; иметь навыки монтажа волоконно-оптических линий передачи (ВОЛП) для квантовых сетей и знать принципы технического обслуживания; иметь навыки работы с высокоточным измерительным оборудованием.

Для работы на слое 2 специалист должен: знать основы теории информационной безопасности; обладать практическими навыками работы с системами криптографической защиты информации (СКЗИ); понимать особенности взаимодействия СКЗИ с оборудованием КРК и телекоммуникационным оборудованием.

Для работы на слое 3 специалист должен:

знать принципы построения современных инфо-коммуникационных сетей связи; обладать знаниями сетевых технологий и протоколов; иметь навыки настройки сетевого оборудования.

Таким образом, специалист в области квантовых коммуникаций должен обладать необходимыми знаниями обо всех слоях и особенностях взаимодействия оборудования разных слоев.

Также специалисты должны обладать знаниями о действующих зарубежных и российских нормативных документов по квантовым технологиям. Например, Европейским институтом телекоммуникационных стандартов ( ESTI ) разработан ряд стандартов для систем КРК, касающихся как общих положений и примеров использования [5], так и требований к доказательствам безопасности квантовой криптографии [6] и техническим характеристикам к компонентам систем КРК [7]. В Российской Федерации ведется активная разработка нормативной документации для регулирования квантовым коммуникациям и уже разработаны предварительные национальные стандарты (ПНСТ), определяющие принципы построения сетей квантовых коммуникации и квантового интернета вещей [8–11].

В федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики» (ФГБОУ ВО ПГУТИ) с 2024/2025 учебного года по направлению подготовки бакалавров направления 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» введен новый профиль подготовки «Квантовые технологии в инфокоммуникациях». Учебный план профиля был разработан с учетом положений и требований профессиональных стандартов [3; 4], а также практических потребностей организаций направления оптических и квантовых коммуникаций.

Рисунок 2. Участок сети квантового распределения ключа (ВОСП – волоконно-оптическая система передачи; СКЗИ – система криптографической защиты информации; КРК – квантовое распределение ключей)

В качестве необходимой базовой подготовки следует выделить дисциплины математики (теория вероятностей и математическая статистика, линейная алгебра, дискретная математика), физики (квантовая оптика, физическая оптика, физические основы квантовой информатики), информатику и языки программирования. Последующее обучение опирается на теоретические знания и практические навыки, заложенные на данном этапе.

Блок специализированных дисциплин, относящихся к слою квантового канала, включает в себя следующие основные дисциплины: «Оптические компоненты волоконно-оптических и квантовых коммуникаций», «Квантовая связь», «Методы и средства измерений в волоконно-оптических и квантовых коммуникациях», «Техническое обслуживание линейной части волоконно-оптических и квантовых коммуникаций».

К специализированным дисциплинам второго слоя (рисунок 2) относятся «Квантовая криптография» и «Информационная безопасность ин-фокоммуникационных и квантовых сетей».

Блок специализированных дисциплин, относящихся к слою инфокоммуникаций, включает в себя: «Основы построения инфокоммуникацион-ных систем и сетей», «Мультисервисные сети связи и коммутационные платформы», «Проектирование, строительство и эксплуатация оптических сетей связи», «Оптические транспортные сети», «Фиксированные сети широкополосного доступа».

При реализации специализированных дисциплин особое внимание уделяется формированию практических навыков и умений на практических и лабораторных работах. При этом сочетается выполнение данных работ по трем направлениям:

– моделирование в универсальных математических пакетах и/или средах программирования, а также в специализированных пакетах программ;

– обучение на физических макетах устройств и сетей оптических и квантовых коммуникаций;

– работа по настройке и эксплуатации оборудования, используемого на сетях связи.

Для реализации возможности приобретения практических навыков работы с реальным оборудованием в ФГБОУ ВО ПГУТИ функционирует научно-образовательная лаборатория «Квантовые коммуникации», укомплектованная промышленным оборудованием системы КРК производства ООО «СМАРТС-Кванттелеком», реализующим все три слоя сети квантовых коммуникаций (рисунок 3).

Важным аспектом образовательного процесса является участие студентов в научно-исследовательской работ, реализуемой на кафедрах вуза. При реализации научного проекта по направлению квантовых коммуникаций особенно перспективным является формирование рабочих групп, включающих студентов и сотрудников различных кафедр.

В целях подготовки востребованных специалистов и их дальнейшего трудоустройства в ФГБОУ ВО ПГУТИ налажено сотрудничество с ведущими компаниями и организациями в области инфокоммуникационных и квантовых технологий. Сотрудничество с индустриальными партнерами позволяет студентам проходить практику на производстве, участвовать в исследованиях и разработках, а также получать предложения о трудоустройстве еще до окончания обучения.

В связи с тем, что в настоящее время системы КРК получают все более широкое практическое применение в различных сферах [12], у многих организаций возникает потребность в повышения квалификации и компетенций специалистов в направлении квантовых коммуникаций.

Рисунок 3. Научно-образовательная лаборатория «Квантовые коммуникации»

В Самарском региональном телекоммуникационном тренинг-центре ФГБОУ ВО ПГУТИ проводится обучение по программам повышения квалификации «Оптические и квантовые коммуникации», ориентированные на практические потребности организаций-заказчиков, связанных с развитием, внедрением и эксплуатацией систем КРК.

Заключение

Стремительный рост спроса на специалистов в области квантовых технологий, способных решать сложные задачи на стыке физики, информатики, криптографии и инфокоммуникаций, требует системного подхода к образованию, включающему как фундаментальную подготовку на уровне бакалавриата и магистратуры, так и непрерывное обучение через программы дополнительного профессионального образования.

Реализуемый в ФГБОУ ВО ПГУТИ профиль подготовки степени бакалавра «Квантовые технологии в инфокоммуникациях» разработан в соответствии с действующими профессиональными стандартами и потребностями организаций, связанных с направлением квантовых коммуникаций. Специфической особенностью подготовки таких специалистов является необходимость обеспечения теоретическими знаниями и практическими навыками работы на всех слоях сети квантовых коммуникаций: квантового канала, информационной безопасности и инфокоммуникационных сетей. Для формирования практических навыков в ходе выполнения практических и лабораторных работ проводятся исследования на компьютерных моделях и физических макетах оптических и квантовых коммуникаций, а также работа с реальным оборудованием КРК в научно-образовательной лаборатории «Квантовые коммуникации».

Важным аспектом образовательного процесса является участие студентов в научно-исследовательских работах, реализуемых на кафедрах вуза. При реализации научного проекта по направлению квантовых коммуникаций особенно перспективным является формирование рабочих групп, из числа студентов и сотрудников различных кафедр.