Technologie kwantowe w obronności i bezpieczeństwie

Oto trzy cytaty pochodzące od trzech słynnych fizyków kwantowych. Myślę, że można bezpiecznie powiedzieć, że panuje powszechna zgoda co do tego, że próba zrozumienia mechaniki kwantowej nie jest przeciętną zabawą umysłową na niedzielny poranek. Jednak mechanika kwantowa to nie tylko przedmiot oszałamiający umysł i skłaniający go do bardzo intensywnego myślenia. W istocie, choć być może nie jesteśmy w stanie w pełni zrozumieć mechaniki kwantowej, technologie oparte na naszym jej rozumieniu są już wszechobecne.

Tranzystory i półprzewodniki w naszych komputerach i infrastrukturze komunikacyjnej to przykłady technologii kwantowych „pierwszej generacji". Jednak najlepsze dopiero przed nami. Dzięki lepszemu zrozumieniu zjawisk kwantowych, takich jak „superpozycja" i „splątanie" (wyjaśnione poniżej), obecnie dokonuje się „druga rewolucja kwantowa" umożliwiająca rozwój nowatorskich i rewolucyjnych technologii kwantowych.

Technologie kwantowe przyniosą nowe ogromne szanse, które mogą być wykorzystane zarówno do celów cywilnych, jak i wojskowych. Dlatego też w ostatnich latach spotkały się one ze znacznym zainteresowaniem ze strony przemysłu i rządów. Wielkie firmy technologiczne, takie jak IBM, Google i Microsoft, wydają setki milionów dolarów na badania i rozwój w dziedzinie kwantowych technik obliczeniowych w wyścigu o „kwantową supremację". Podobnie, rządy dostrzegły potencjał transformacyjny i wartość geopolityczną zastosowań technologii kwantowych, a Stany Zjednoczone, Unia Europejska i Chiny stworzyły własne programy badawcze każdy o wartości powyżej 1 miliarda dolarów.

Nie wchodząc w szczegółowe wyjaśnianie mechaniki kwantowej, warto pokrótce omówić kilka kluczowych zasad, które pomogą zrozumieć potencjalne zastosowania technologii kwantowych.

Technologie kwantowe wykorzystują zjawiska fizyczne w skali atomowej i subatomowej. Podstawowe założenie mechaniki kwantowej brzmi: w skali atomowej świat jest „probabilistyczny", a nie „deterministyczny".

Wspomniane pojęcie probabilności było przedmiotem światowej sławy debaty pomiędzy Albertem Einsteinem i Nielsem Bohrem podczas Piątego Kongresu Solvaya poświęconego fizyce, który odbył się w październiku 1927 roku w Brukseli. Kongres ten zgromadził 29 najbardziej znaczących fizyków tamtych czasów w celu omówienia niedawno sformułowanej teorii kwantowej (17 z nich zostało później laureatami Nagrody Nobla).

W tak zwanej „debacie stulecia" podczas Kongresu Solvaya w 1927 roku Niels Bohr bronił nowej teorii mechaniki kwantowej sformułowanej przez Wernera Heisenberga, podczas gdy Albert Einstein próbował podtrzymać deterministyczny paradygmat przyczyny i skutku. Słynne stało się powiedzenie Alberta Einsteina, że „Bóg nie gra w kości", na co Niels Bohr odparł: „Einstein, przestań mówić Bogu, co ma robić".

Obecnie społeczność naukowa zgadza się, że Niels Bohr wygrał tę debatę. Oznacza to, że nasz świat nie ma ustalonego scenariusza opartego na przyczynie i skutku, ale w rzeczywistości podlega przypadkowi. Innymi słowy, można poznać wszystko, co jest do poznania we wszechświecie i nadal nie wiedzieć, co wydarzy się dalej.

Ten nowy probabilistyczny paradygmat doprowadził do lepszego zrozumienia niektórych kluczowych właściwości cząstek kwantowych, które leżą u podstaw technologii kwantowych, a zwłaszcza superpozycji (superposition) i splątania (entanglement). Lepsze zrozumienie tych fundamentalnych zasad kwantowych stało się bodźcem do rozwoju technologii kwantowych nowej generacji: detekcji kwantowej, komunikacji kwantowej i kwantowych technik obliczeniowych.

Chociaż największą sławę wśród technologii kwantowych zdobyły kwantowe techniki obliczeniowe, istnieje cały świat detekcji kwantowej i komunikacji kwantowej, który jest równie fascynujący i obiecujący.

Detektory kwantowe opierają się na ultrazimnych atomach lub fotonach, starannie manipulowanych za pomocą superpozycji lub splątania w określonych „stanach kwantowych". Wykorzystując fakt, że stany kwantowe są niezwykle wrażliwe na zakłócenia, detektory kwantowe są w stanie mierzyć bardzo małe różnice we wszelkiego rodzaju parametrach, takich jak temperatura, przyspieszenie, grawitacja czy czas.

Detekcja kwantowa ma potencjał transformacyjny dla naszej technologii pomiaru i wykrywania. Nie tylko umożliwia znacznie dokładniejsze i bardziej czułe pomiary, ale także może umożliwić pomiary rzeczy, których nigdy wcześniej nie byliśmy w stanie zmierzyć. Aby wymienić tylko kilka przykładów - detektory kwantowe mogą pozwolić nam dowiedzieć się, co dokładnie znajduje się pod naszymi stopami dzięki mapowaniu struktur podziemnych, zapewnić systemy wczesnego ostrzegania przed erupcją wulkanów, umożliwić autonomicznym urządzeniom „widzenie" za rogami, a także działać jako przenośne skanery, które monitorują aktywność mózgu danej osoby (źródło: Scientific American).

Choć technologie kwantowe mogą wydawać się technologiami odległej przyszłości, pierwsze detektory kwantowe są już dostępne na rynku (np. zegary atomowe i grawimetry). Patrząc w przyszłość, możemy się spodziewać, że w ciągu najbliższych pięciu do siedmiu lat pojawi się więcej zastosowań detektorów kwantowych, a wśród nich kwantowe urządzenia do pozycjonowania, nawigacji i pomiaru czasu (PNT) oraz kwantowe technologie radarowe.

Potencjał komunikacji kwantowej opiera się na obietnicy umożliwienia "ultrabezpiecznej" transmisji danych, potencjalnie nawet całkowicie niemożliwej do zhakowania. Obecnie nasza wymiana danych opiera się na strumieniach sygnałów elektrycznych reprezentujących "1" i "0" przesyłanych przez kable światłowodowe. Haker, któremu uda się podłączyć do tych łączy, może odczytywać i kopiować te bity w trakcie ich przepływu przez łącze. Natomiast w komunikacji kwantowej przesyłane informacje są zakodowane w cząstce kwantowej w superpozycji 1 i 0, zwanej kubit (bit kwantowy). Ze względu na wrażliwość stanów kwantowych na zakłócenia zewnętrzne, gdy haker próbuje przechwycić przesyłane informacje, kubit „zapada się" do stanu 1 lub 0 - niszcząc w ten sposób informacje kwantowe i pozostawiając podejrzany ślad.

Pierwsze zastosowanie komunikacji kwantowej to „kwantowa dystrybucja klucza" (quantum key distribution - QKD), która wykorzystuje cząstki kwantowe do wymiany kluczy kryptograficznych. W QKD rzeczywiste dane są przesyłane przez tradycyjną infrastrukturę komunikacyjną przy użyciu zwykłych bitów, natomiast klucze kryptograficzne niezbędne do odszyfrowania danych są przesyłane oddzielnie przy użyciu cząstek kwantowych. Prowadzone są już szeroko zakrojone eksperymenty w zakresie QKD, zarówno z wykorzystaniem łączności naziemnej, jak i kosmicznej. W 2016 roku Chiny wystrzeliły pierwszego na świecie kwantowego satelitę Micius, który od tego czasu zademonstrował międzykontynentalne QKD typu ziemia-satelita i satelita-ziemia, zabezpieczając wideokonferencję między Pekinem a Wiedniem (źródło).

„Teleportacja kwantowa" byłaby kolejnym krokiem w komunikacji kwantowej. Podczas gdy w QKD klucze kryptograficzne są dystrybuowane przy użyciu technologii kwantowej, w teleportacji kwantowej to sama informacja jest przesyłana przy użyciu splątanych par kwantowych. Największa odległość, na jaką udało się do tej pory osiągnąć teleportację kwantową za pomocą światłowodu, wynosi 50 kilometrów (źródło), a wyzwaniem w nadchodzących latach jest zwiększenie skali teleportacji kwantowej, aby umożliwić bezpieczną komunikację na większe odległości.

Ostatecznym celem w zakresie komunikacji kwantowej jest stworzenie „kwantowego internetu": sieci komputerów kwantowych wykorzystujących zjawisko splątania, połączonych ultrabezpieczną komunikacją kwantową gwarantowaną przez podstawowe prawa fizyki. Internet kwantowy wymaga jednak nie tylko teleportacji kwantowej na bardzo duże odległości, ale także dalszego rozwoju innych kluczowych technologii, takich jak procesory kwantowe, kompleksowy stos internetu kwantowego obejmujący protokoły internetowe i aplikacje oprogramowania internetu kwantowego. Jest to naprawdę długoterminowe przedsięwzięcie i chociaż trudno jest określić, czy i kiedy technologia ta dojrzeje, większość naukowców wspomina o horyzoncie czasowym 10-15 lat.

Kwantowe techniki obliczeniowe znacząco zwiększą naszą zdolność do rozwiązywania niektórych najbardziej złożonych problemów obliczeniowych. W rzeczywistości mówi się, że kwantowe techniki obliczeniowe różnią się od klasycznych, tak jak klasyczny komputer różni się od liczydła.

Jak wyjaśniono powyżej, podczas gdy komputery klasyczne wykonują obliczenia przy użyciu cyfr binarnych (0 lub 1), komputery kwantowe reprezentują informacje przy użyciu kubitów (bitów kwantowych), które mogą znajdować się w superpozycji obu stanów (jednocześnie 0 i 1).

Ponieważ kubity są niezwykle wrażliwe na zakłócenia zewnętrzne, aby móc je kontrolować, manipulować nimi i wykorzystywać, kubity muszą być schłodzone do poziomu bardzo bliskiego temperatury zera bezwzględnego (zera kelwinów), to jest do około 15 milikelwinów. Zimniej niż w przestrzeni kosmicznej! W rzeczywistości wnętrze komputera kwantowego jest najzimniejszym znanym nam miejscem we wszechświecie.

Kubity umożliwiają komputerom kwantowym wykonywanie wielu obliczeń w tym samym czasie, co potencjalnie prowadzi do ogromnego wzrostu mocy obliczeniowej w porównaniu z komputerami klasycznymi. Istnieje szereg zastosowań, w których komputery kwantowe będą miały szczególnie przełomowe znaczenie:

Wielkie firmy technologiczne, takie jak IBM, Google i Microsoft, rywalizują o „kwantową supremację", czyli stan, w którym komputer kwantowy zdoła rozwiązać problem, którego żaden klasyczny komputer nie mógłby rozwiązać w żadnym realnym czasie.

W październiku 2019 roku firma Google twierdziła, że osiągnęła supremację kwantową na swoim 53-qubitowym komputerze kwantowym. Krytycy twierdzą jednak, że problem rozwiązany w eksperymencie Google nie miał żadnej praktycznej wartości, a zatem wyścig o kwantową supremację nadal trwa.

Obecne komputery kwantowe mają około 60 kubitów, ale dalsze postępy są szybkie a ambicje są wysokie. We wrześniu ubiegłego roku IBM ogłosił mapę drogową dla rozwoju swoich komputerów kwantowych, w tym zamiar zbudowania komputera kwantowego 1000-kubitowego do 2023 roku (źródło). Google ma własny plan zbudowania komputera kwantowego z milionem kubitów do 2029 roku (źródło).

Z 1000-kubitowymi komputerami kwantowymi, tak zwanymi Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ), możemy już dostrzec pewne cenne praktyczne zastosowania w zakresie projektowania materiałów, odkrywania leków czy logistyki. Najbliższe pięć do dziesięciu lat będzie zatem niezwykle ekscytujące dla kwantowych technik obliczeniowych.

Technologie kwantowe mają potencjał, aby przynieść zupełnie nowe możliwości, umożliwiając nam wykrywanie tego, co niewykrywalne, przekształcając bezpieczeństwo cybernetyczne i pozwalając na rozwiązywanie problemów dotychczas nierozwiązywalnych.

W dziedzinie obronności i bezpieczeństwa dwa zastosowania będą miały szczególnie istotne konsekwencje w perspektywie krótko- i średnioterminowej. Po pierwsze, detekcja kwantowa. Detektory kwantowe mają pewne obiecujące zastosowania wojskowe. Na przykład mogłyby być wykorzystywane do wykrywania okrętów podwodnych i samolotów typu stealth, a detekcja kwantowa mogłaby być wykorzystywana do określania położenia, nawigacji i czasu (PNT). Takie "kwantowe urządzenia PNT" mogłyby być wykorzystywane jako niezawodne inercyjne systemy nawigacyjne (INS), które umożliwiają nawigację bez potrzeby korzystania z zewnętrznych urządzeń referencyjnych, takich jak GPS. Byłoby to przełomowe rozwiązanie na przykład dla nawigacji podwodnej na okrętach podwodnych, ale również mogłoby ono być wykorzystywane jako zapasowy system nawigacji dla obiektów nadwodnych w przypadku utraty sygnału GPS.

Pierwsze detektory kwantowe są już dostępne na rynku, co sprawia, że jest to najbardziej dojrzała spośród technologii detekcji, komunikacji i obliczeń. Ponadto w przypadku komunikacji i kwantowych technik obliczeniowych oczekuje się, że sektor cywilny będzie motorem rozwoju ze względu na ogromną potencjalną wartość, jaką mają one dla przemysłu cywilnego. Jednak w przypadku detekcji kwantowej potencjalne zastosowania, takie jak kwantowy PNT i radar kwantowy, są szczególnie interesujące dla wojska. Dlatego też wojsko powinno finansować, wspierać i ukierunkowywać badania i rozwój w tej dziedzinie, aby urzeczywistnić te potencjalne zastosowania.

Po drugie, istnieje „zagrożenie kwantowe” stwarzane przez kwantowe techniki obliczeniowe. Jak wspomniano w poprzedniej części, faktoryzacja liczb całkowitych jest jednym z rodzajów problemów, które komputery kwantowe mogą rozwiązywać szczególnie skutecznie. Większość naszej infrastruktury cyfrowej i w zasadzie wszystko, co robimy online - wideokonferencje, wysyłanie e-maili, czy dostęp do naszego internetowego konta bankowego - jest szyfrowane za pomocą protokołów kryptograficznych wykorzystujących złożoność tego rodzaju problemów faktoryzacji liczb całkowitych (np. algorytm RSA. Podczas gdy praktycznie użyteczne komputery kwantowe wciąż wymagają dalszego opracowania, kwantowy algorytm do rozwiązywania tych problemów i odszyfrowywania naszej komunikacji cyfrowej, czyli algorytm Shora, został wynaleziony już w 1994 roku i czeka na komputer kwantowy zdolny do jego uruchomienia.

W celu przybliżenia, poniższy rysunek jest przykładem problemu faktoryzacji liczb całkowitych stosowanego do zabezpieczania potencjalnie wrażliwych informacji.

Chociaż można by pomyśleć, że każdy kalkulator graficzny byłby w stanie rozwiązać ten pozornie prosty problem matematyczny, w rzeczywistości najszybszy superkomputer na świecie potrzebowałby całego życia wszechświata, aby go rozwiązać. Komputer kwantowy natomiast byłby w stanie rozwiązać go w ciągu kilku minut (źródło).

Jest to pilne zagrożenie dla całego społeczeństwa, ale także w szczególności dla wojska, biorąc pod uwagę znaczenie bezpiecznej komunikacji i bezpiecznej informacji dla obronności i bezpieczeństwa. Aby przeciwdziałać temu zagrożeniu, będziemy musieli całkowicie zmodernizować całą naszą zabezpieczaną infrastrukturę cyfrową, stosując kryptografię "odporną na kwanty", to znaczy zabezpieczoną zarówno przed komputerami kwantowymi, jak i klasycznymi. Jedną z opcji byłoby zaczekanie, aż komunikacja kwantowa (QKD lub teleportacja kwantowa) będzie wystarczająco zaawansowana i wykorzystanie jednej technologii kwantowej do ochrony przed drugą. Jednak czas nie jest po naszej stronie. Nie dość, że technologia obliczeń kwantowych może wyprzedzić rozwój komunikacji kwantowej, to zagrożenie już istnieje. Mając w perspektywie przyszłe komputery kwantowe, hakerzy mogliby wykraść zaszyfrowane informacje dzisiaj, przechować je i odszyfrować za 10-15 lat przy użyciu przyszłego komputera kwantowego.

Lepszym rozwiązaniem jest wdrożenie kryptografii postkwantowej (PQC), czyli nowych klasycznych (niekwantowych) algorytmów kryptograficznych, których nawet komputery kwantowe nie będą w stanie rozwiązać. Obecnie amerykański Narodowy Instytut Standardów i Technologii (National Institute of Standards and Technology - NIST) prowadzi międzynarodowy konkurs na wybór algorytmu (algorytmów) PQC, który zostanie znormalizowany i przyjęty na całym świecie. Proces rozpoczął się w 2016 r., a w lipcu 2020 r. NIST ogłosił, że ma siedmiu ostatecznych kandydatów.

Możemy się spodziewać, że NIST dokona ostatecznego wyboru do standaryzacji na początku 2022 roku i ustanowi rzeczywiste normy do 2024 roku (źródło). Decydenci we wszystkich branżach i w wojsku powinni wpisać te daty do swoich kalendarzy i zacząć przygotowywać się na dużą modernizację bezpieczeństwa cybernetycznego oraz dopilnować, żeby wszystko poszło zgodnie z planem.

Nowe postępy w badaniach i rozwoju technologii kwantowej mają potencjał, aby przynieść wojsku nowe, ekscytujące możliwości. Biorąc pod uwagę duże zainteresowanie i finansowanie technologii kwantowych zarówno ze strony przemysłu cywilnego jak i rządów, można się spodziewać, że technologia ta dojrzeje i w ciągu najbliższych pięciu do dziesięciu lat pojawią się nowe zastosowania kwantowe. Jednakże, aby wojska NATO mogły faktycznie czerpać korzyści z tych nowych technologii kwantowych, konieczne jest aktywne zaangażowanie członków Sojuszu w tej dziedzinie oraz kierowanie rozwojem i wdrażaniem wojskowych zastosowań technologii kwantowych. Powinno to obejmować nie tylko współpracę z dużymi przedsiębiorstwami technologicznymi, ale w szczególności również z przedsiębiorstwami rozpoczynającymi działalność (start-upami), uniwersytetami i instytutami badawczymi, ponieważ są one niezbędne, aby zapewnić innowacyjność w zakresie tych nowych technologii.

Wojska NATO mogłyby wnieść znaczną wartość dodaną do istniejących wysiłków w przemyśle i środowisku akademickim poprzez zapewnienie infrastruktury testowej i walidacyjnej (ośrodków testowych) oraz dostępu do operatorów wojskowych będących użytkownikami końcowymi. Wczesne eksperymentowanie z tymi technologiami nie tylko przyczynia się do ich dalszego rozwoju, ale również umożliwia wojsku zapoznanie się z tymi technologiami i ich możliwościami, co ułatwia ich przyszłe wdrożenie. Ponadto aktywne uczestnictwo w ekosystemie kwantowym zwiększa zrozumienie przez wojsko potencjalnych zagrożeń związanych z technologiami kwantowymi, zwłaszcza w domenie cybernetycznej.

Jest to piąty artykuł z mini-serii poświęconej innowacjom, która skupia się na technologiach, które członkowie Sojuszu chcą zaadoptować oraz na możliwościach, jakie one przyniosą dla obronności i bezpieczeństwa Sojuszu NATO. Poprzednie artykuły: