С учетом того, что могут означать квантовые технологии для обороны и безопасности, НАТО считает квантовые технологии одними из важнейших новых и прорывных технологий. В данной статье рассматриваются некоторые поражающие воображение будущие прикладные квантовые технологии и их значение для обороны и безопасности.

Тот, кто не испытывает шок от первого знакомства с квантовой теорией, ничего в ней не понял.

Нильс Бор

Если вы думаете, что разбираетесь в квантовой механике, вы в ней не разбираетесь.

Ричард Фейнман

Вселенная не только более странная, чем мы думаем, она еще страннее, чем мы можем себе представить.

Вернер Гейзенберг

Три цитаты трех знаменитых специалистов по квантовой физике. Наверное, можно смело предположить, что по всеобщему мнению, пытаться разобраться в квантовой механике вряд ли относится к числу любимой среднестатистической гимнастики для ума воскресным утром. Однако квантовая механика не просто ошеломляет и заставляет серьезно задуматься. На самом деле, даже если нам трудно полностью понять ее, нас уже окружают технологии, построенные на нашем понимании квантовой механики.

Транзисторы и полупроводники в наших компьютерах и инфраструктуре связи – примеры «первого поколения» квантовых технологий. Но лучшее еще впереди. Благодаря более глубокому пониманию квантовых явлений, таких как «суперпозиция» и «запутанность» (объяснено ниже), теперь происходит «вторая квантовая революция», способствующая развитию новых и революционных квантовых технологий.

Поскольку с квантовыми технологиями появятся новые большие возможности как в гражданской, так и в военной сфере, в последние годы промышленность и государственный сектор проявляют к ним значительный интерес. Крупные технологические компании, такие как IBM, Google и Microsoft расходуют сотни миллионов долларов на НИОКР в сфере квантовых вычислений в погоне за «квантовым превосходством». Аналогичным образом, правительства признают преобразующий потенциал и геополитическую ценность прикладных квантовых технологий, и США, Европейский союз и Китай создали свои собственные научно-исследовательские программы больше чем на миллиард долларов.

Принципы в основе квантовых технологий

Не вдаваясь в подробное разъяснение квантовой механики, стоит рассказать о ряде основных принципов, чтобы помочь понять потенциальное применение квантовых технологий.

В квантовых технологиях физические явления используются в атомном и субатомном масштабе. Фундаментальное положение квантовой механики состоит в том, что на уровне атомов мир становится «вероятностным» в отличие от «детерминистского».

Данная концепция вероятности была предметом знаменитого на весь мир спора Альберта Эйнштейна с Нильсом Бором на Пятой Сольвейской конференции по физике, состоявшейся в октябре 1927 года в Брюсселе. Для обсуждения новой квантовой теории на этой конференции собрались 29 самых знаменитых физиков того времени (17 из них станут впоследствии лауреатами Нобелевской премии).

Фотография сделана в парке им. Леопольда в Брюсселе во время Пятой Сольвейской конференции по физике в 1927 году, и ее часто называют «самой умной фотографией всех времен».
Снимок предоставлен Бенжамином Купри, Сольвейский международный институт физики.

В так называемом «споре века» на Сольвейской конференции 1927 года Нильс Бор защищал новую теорию квантовой механики, сформулированную Вернером Гейзенбергом, тогда как Альберт Эйнштейн попытался отстоять детерминистскую парадигму причины и следствия. По ставшему знаменитым высказыванию Альберта Эйнштейна, «Бог не играет в кости», на что Нильс Бор парировал: «Эйнштейн, не указывайте Богу, что ему делать».

Сегодня научное сообщество согласно с тем, что Нильс Бор выиграл этот научный диспут. Это означает, что наш мир не живет по написанному сценарию, построенному на причине и следствии, и что на самом деле все меняется. Иными словами, можно обладать всеми знаниями вселенной и при этом не знать, что произойдет дальше.

Благодаря этой новой вероятностной парадигме удалось более глубоко понять ряд важнейших свойств квантовых частиц, которые лежат в основе квантовых технологий, в частности, «суперпозиция» (наложение) и «запутанность» (переплетение). Более глубокое понимание этих фундаментальных квантовых принципов и подхлестнуло развитие квантовых технологий следующего поколения: квантовая сенсорика, квантовая связь и квантовые вычисления.

Основные принципы квантовой механики (источник: Deloitte Insights (2020).

Прикладное применение сегодня и завтра

Больше всего шума по поводу квантовых технологий вызвали квантовые вычисления, однако есть еще целый мир квантовой сенсорики и квантовых коммуникаций, в такой же степени завораживающий и многообещающий.

Квантовая сенсорика

Работа квантовых сенсорных устройств основана на ультра-холодных атомах или фотонах, которыми аккуратно манипулируют с помощью суперпозиции или переплетения в определенных «квантовых состояниях». Квантовые состояния чрезвычайно восприимчивы к колебаниям, и поэтому квантовые сенсоры способны измерять малейшие различия в любых характеристиках, например, температуре, ускорении, притяжении или времени.

Квантовая сенсорика может преобразовать наши технологии измерения и обнаружения. С ее помощью можно не только производить более точные и чувствительные измерения, но и открыть новые возможности измерить то, что раньше никогда не удавалось измерить. Если перечислить лишь некоторые, с помощью квантовых датчиков мы могли бы выяснить, что именно находится у нас под ногами, составив подземные карты; создать системы раннего предупреждения об извержениях вулканов; сделать так, чтобы автономные системы могли «заглядывать» за угол; создать переносные сканеры для мониторинга деятельности головного мозга человека (источник: Scientific American).

Может показаться, что квантовые технологии – далекое будущее, однако первые квантовые датчики уже есть на рынке (например, атомные часы и гравиметры). Можно предположить, что в ближайшие пять-семь лет практическое применение квантовой сенсорики станет более широким, в частности, такое применение, как квантовые устройства определения местоположения, навигации и синхронизации (PNT) и квантовые радиолокационные технологии.

Квантовая связь

Потенциал квантовой связи – обещание обеспечить «сверхзащищенную» передачу данных, возможно, совсем не поддающуюся взлому. В настоящий момент наш обмен данными ведется с помощью электросигналов – 1 и 0, – потоки которых идут по оптоволоконным кабелям. Хакер, которому удается проникнуть в эти кабели, может прочитать и скопировать эти данные, проходящие по кабелю. А при квантовой связи передаваемая информация зашифрована в квантовой частице, где единицы и нули накладываются друг на друга, образуя «квантовый бит» (кубит). Поскольку квантовое состояние чрезвычайно восприимчиво к внешним помехам, если хакер попытается перехватить передаваемую информацию, квантовый бит «сворачивается» либо в единицу, либо в ноль, уничтожая таким образом квантовую информацию и оставляя подозрительный след.

Первое практическое применение квантовой связи получило название «квантового распределения ключа» (КРК), при котором квантовые частицы используются для обмена криптографическими ключами. При КРК данные передаются по традиционной инфраструктуре связи с использованием обычных битов, а криптографические ключи, необходимые для расшифровки данных, передаются отдельно с использованием квантовых частиц. Уже ведется большая экспериментальная работа в области КРК с применением как наземных, так и космических средств связи. В 2016 году Китай запустил первый в мире квантовый научный спутник «Микиус» (Micius), который смог продемонстрировать межконтинентальное КРК земля-спутник и спутник-земля, обеспечив защиту видеоконференции между Пекином и Веной. (источник).

«Квантовая телепортация» станет следующим шагом в квантовой связи. При КРК шифровальные ключи передаются с помощью квантовой технологии, а при квантовой телепортации с помощью переплетенных квантовых пар передается сама информация. Пока что максимальное расстояние, на которое удалось осуществить квантовую телепортацию по оптоволоконному кабелю, – 50 километров (источник), и на ближайшие годы задача – увеличить масштаб квантовой телепортации, чтобы обеспечить защищенную связь на большем расстоянии.

Конечная цель квантовой связи – создать «квантовый Интернет»: сеть переплетенных квантовых компьютеров, подключенных с помощью зверхзащищенной квантовой связи, гарантированной фундаментальными законами физики. Однако для квантового Интернета требуется не только квантовая телепортация на очень большие расстояния, но и дальнейшее развитие других сопутствующих технологий, например, квантовых процессоров и полный набор квантового Интернета, включая Интернет-протоколы и программное обеспечение для квантового Интернета. Речь идет о долгосрочной работе. Трудно определить, выйдет ли эта технология на зрелый этап и если выйдет, то когда, однако большинство ученых говорят, что понадобится 10-15 лет.

Квантовые вычисления

С помощью квантовых вычислений значительно увеличится наша способность к решению одних из самых сложных вычислительных задач. Утверждают, что квантовые вычисления так же отличаются от классических вычислений, как классический компьютер отличается от счет.

Как объяснено выше, в классических компьютерах вычисления производятся с использованием бинарных цифр (0 или 1), а в квантовых компьютерах информация представлена с использованием квантовых битов (кубитов), в которых оба состояния могут накладываться друг на друга (0 и 1 одновременно).

Поскольку кубиты крайне чувствительны к внешним помехам, чтобы управлять и манипулировать ими и чтобы их использовать, их нужно охладить почти до абсолютного температурного минимума (ноль кельвина), около 15 милликельвина. Это холоднее, чем в космосе! Самое холодное место во вселенной, известное нам, – внутри квантового компьютера.

Квантовый компьютер, построенный IBM: IBM Q System One (источник: Forbes). Хотите его послушать? Перейдите по ссылке, чтобы послушать сердцебиение квантового компьютера.

Благодаря кубитам квантовые компьютеры могут одновременно производить множество вычислений, в результате чего можно очень сильно увеличить вычислительную эффективность по сравнению с классическими компьютерами. Есть несколько видов практического применения, где с помощью квантовых компьютеров можно добиться особых преобразований:

  • моделирование физических систем для разработки лекарственных препаратов и создания новых материалов;

  • решение комплексных проблем оптимизации систем поставок, логистики и финансов;

  • ускоренное машинное обучение в сочетании с искусственным интеллектом;

  • факторизация целых чисел, способствующая расшифровке наиболее широко используемых протоколов кибербезопасности (например, RSA, алгоритм асимметричного шифрования, используемый для защищенной передачи данных).

Крупные технологические компании, такие как IBM, Google и Microsoft ведут гонку за «квантовое превосходство», при котором квантовому компьютеру удается решать проблему, которую не способен решить ни один классический компьютер в приемлемые сроки.

В октябре 2019 года компания Google заявила, что ей удалось добиться квантового превосходства с помощью квантового компьютера мощностью 53 кубита. Однако, как отметили критики, задача, решенная в ходе проведенного Google эксперимента, не представляет практической ценности, и поэтому гонка за квантовое превосходство продолжается.

Мощность нынешних компьютеров – около 60 кубитов, но разработки быстро сменяют друг друга, и планка высока. В сентябре прошлого года компания IBM представила дорожную карту разработки квантовых компьютеров, в частности она объявила, что поставила перед собой цель построить к 2023 году квантовый компьютер мощностью 1000 кубитов (источник). У компании Google свой план по созданию к 2029 году квантового компьютера мощностью миллион кубитов (источник).

С созданием квантовых компьютеров мощностью 1000 кубитов, так называемых шумных среднемасштабных квантовых компьютеров (NISQ), уже появилось ценное практическое применение для разработки материалов, открытия лекарственных препаратов или логистики. Поэтому ближайшие пять-десять лет будут очень интересными в плане квантовых вычислений.

Значение для обороны и безопасности

С квантовыми технологиями могут открыться огромные новые возможности, позволяющие обнаруживать то, что не поддается обнаружению, преобразовать киберзащиту и помочь нам решать проблемы, которые до этого нам никогда не удавалось решать.

Два вида практического применения будут иметь особое значение в сфере обороны и безопасности в краткосрочной и среднесрочной перспективе.

Во-первых, квантовая сенсорика. У квантовых датчиков есть перспективное военное практическое применение. Например, с помощью квантовых датчиков можно вести обнаружение подводных лодок и летательных аппаратов и использовать их для определения местоположения, навигации и синхронизации (PNT). Такие квантовые устройства PNT можно было бы использовать в качестве надежных инерциальных навигационных систем, обеспечивающих навигацию без внешних опорных сигналов, как, например, GPS. Такие средства радикально изменят положение дел для подводной навигации подлодок, например, а также в качестве запасной навигационной системы для надводных платформ в случае потери сигнала GPS.

Уже можно приобрести на коммерческой основе первые квантовые датчики, то есть это самая зрелая из сенсорных, коммуникационных и вычислительных технологий. Более того, предполагается, что гражданский сектор будет продвигать вперед разработки в сфере квантовой связи и вычислений, с учетом огромной потенциальной ценности, которую они представляют для гражданской промышленности. А что касается квантовой сенсорики, возможное практическое применение, например, определение местоположения, навигация и синхронизация, а также квантовая радиолокация представляют особый интерес для военных. Поэтому военным надо финансировать, поддерживать и направлять НИОКР в этой области, чтобы сделать это возможное практическое применение действительностью.

Во-вторых, «квантовая угроза», которую представляют квантовые вычисления. Как упомянуто в предыдущем разделе, факторизация целых чисел – одна категория задач, которые квантовые компьютеры могут решать особенно эффективно. Основная часть нашей цифровой инфраструктуры и практически все, что мы делаем в Интернете, будь то видеоконференцсвязь, отправка электронных сообщений или онлайн-доступ к нашим банковским счетам, шифруется с помощью криптографических протоколов, основанных на сложности решения подобного рода задач по факторизации целых чисел (например, алгоритм RSA). Хотя еще только предстоит создать годные к применению квантовые компьютеры, квантовый алгоритм для решения этих задач и расшифровки наших цифровых коммуникаций – алгоритм Шора – был уже изобретен в 1994 году и ждет квантового компьютера, способного работать с ним.

На рисунке ниже приведен пример использования задачи по факторизации целых чисел для защиты потенциально закрытой информации.

Пример задачи по факторизации целых чисел, что является основой наших систем кибербезопасности сегодня. (источник)

Может быть, вы сочтете, что любой графический калькулятор смог бы решить эту, казалось бы, простую математическую задачу, но на самом деле, самому быстрому суперкомпьютеру в мире понадобилось бы все время существования вселенной, чтобы справиться с ней. А квантовый компьютер смог бы решить эту задачу за пару минут (источник). Речь идет об угрозе для общества в целом и для военных в частности, которой надо срочно заняться, с учетом того, как важна защищенная связь и защита информации для обороны и безопасности.

Чтобы парировать эту угрозу, нам нужно будет полностью усовершенствовать всю нашу защищенную цифровую инфраструктуру посредством «квантумостойкого» шифрования, то есть, защищенного как от квантовых, так и классических компьютеров. Как вариант, можно было бы дождаться, когда квантовая связь (КРК или квантовая телепортация) выйдет на зрелый этап, и воспользоваться этой квантовой технологией для защиты от другой квантовой технологии. Но время не на нашей стороне. Не только технология квантовых вычислений может опередить разработку квантовой связи, но и угроза уже существует. В ожидании будущих квантовых компьютеров хакеры могли бы украсть зашифрованную информацию сегодня, хранить ее и расшифровать ее через 10-15 лет с помощью будущего квантового компьютера.

Лучший вариант – применить «постквантовое шифрование» (PQC), новые классические (то есть, неквантовые) алгоритмы шифрования, которые не под силу будет решить даже квантовым компьютерам. В настоящий момент Национальный институт стандартов и технологии США (НИСТ) руководит международным конкурсом по отбору алгоритмов постквантового шифрования для стандартизации и применения во всем мире. Этот процесс начался в 2016 году, и в июле 2020 года НИСТ объявил семь финалистов.

Можно ожидать, что в начале 2022 года НИСТ сделает окончательный выбор для стандартизации, а сам стандарт будет создан к 2024 году (источник). Ответственные работники промышленного сектора и военные должны пометить эти даты в своих календарях, начать подготовку к большому совершенствованию кибербезопасности и быть готовыми сразу же подключиться к работе.

Дальнейшая работа

Благодаря новым достижениям НИОКР в области квантовых технологий у военных могут появится новые средства. С учетом значительного интереса к квантовым технологиям и их финансирования со стороны гражданской промышленности и государственного сектора, предполагается, что технология выйдет на зрелый этап и появятся новые виды их практического применения в ближайшие пять-десять лет. Но для того, чтобы вооруженные сил стран НАТО могли по-настоящему пользоваться преимуществами этих новых квантовых технологий, крайне важно, чтобы государства-члены активно работали в этой области и направляли разработку и внедрение военного применения квантовых технологий. Это предполагает не только взаимодействие с крупными технологическими компаниями, но и с начинающими фирмами, университетами и научно-исследовательскими институтами, поскольку они жизненно важны для новаторства в сфере этих новых технологий.

Вооруженные силы стран НАТО могли бы привнести большую дополнительную пользу в ту работу, которую уже проделывают промышленность и научно-образовательные круги, предоставив инфраструктуру для испытаний и проверки (испытательные центры), а также доступ к конечному пользователю – военным. Экспериментальные работы с этими технологиями на раннем этапе не только содействуют их дальнейшему развитию, но и позволят военным ознакомиться с этими технологиями и их возможностями, что будет способствовать их внедрению в будущем. Более того, благодаря активному участию в квантовой экосистеме военные могут добиться более глубокого понимания потенциальных факторов риска, связанных с квантовыми технологиями, в частности в кибернетической сфере.

Это пятая статья из мини-серии о новаторстве, посвященной технологиям, которые страны НАТО стремятся внедрить, и возможностям, которые это откроет для обороны и безопасности Североатлантического союза. Предыдущие статьи: