Зважаючи на потенційні наслідки новітніх квантових технологій для оборони і безпеки, НАТО визначає квантові технології як один із провідних нових і проривних технологій за впливом на безпеку. Ця стаття покликана показати деякі захоплюючі майбутні застосування квантових технологій і їх наслідки для оборони і безпеки.

Ті, хто не був вражений, коли вперше зіткнувся з квантовою теорією, може й не зрозуміти цього.

Нільс Бор

Якщо ви вважаєте, що ви розумієте квантову механіку, ви квантову механіку не розумієте.

Річард Фейнман

Всесвіт не лише більш дивний, ніж ми думаємо, він більш дивний, ніж ми можемо собі уявити.

Вернер Гайзенберг

Три цитати трьох відомих квантових фізиків. Я думаю, можна сказати, що існує широкий консенсус, що спроба зрозуміти квантову механіку – це не звичайний ребус, який ви розгадуєте недільного ранку. Проте квантова механіка не просто головоломка і засіб тримання вашого розуму у формі. Фактично, попри те, що ми нездатні повністю її збагнути, технології, які побудовані на нашому розумінні квантової механіки, вже існують і оточують нас.

Транзистори і напівпровідники в наших комп’ютерах і комунікаційній інфраструктурі є прикладами квантових технологій «першого покоління». Однак найкраще все ще попереду. Завдяки кращому розумінню таких квантових феноменів як «суперпозиція» і «зчеплення» (пояснюються нижче), зараз відбувається «друга квантова революція", яка дозволяє розробляти новітні і революційні квантові технології.

Оскільки ці технології принесуть з собою глибоко нові можливості як в цивільному, так і військовому застосуванні, квантові технології останнім часом привабили до себе великий інтерес з боку промисловості і урядів. Великі технологічні компанії, такі як IBM, Google і Microsoft витрачають сотні мільйонів доларів на науково-дослідні роботи в галузі квантового обчислення у перегонах за «квантове верховенство». Так само, уряди визнали трансформаційний потенціал і геополітичну цінність застосувань квантової технології, і США, Європейський союз і Китай започаткували власні дослідницькі програми вартістю понад мільярд доларів.

Принципи, що покладено в основу квантових технологій

Не вдаючись в детальне пояснення квантової механіки варто коротко обговорити декілька головних основоположних принципів для того, щоб зрозуміти потенціал застосування квантових технологій.

Квантові технології використовують фізичні явища на атомному і субатомному рівні. Основоположним для квантової механіки є те, що на цьому атомному рівні світ є «вірогіднісним» на противагу «детерміністському».

Це поняття вірогідності було предметом відомих в усьому світі дискусій між Альбертом Ейнштейном і Нільсом Бором на п’ятому Солвеївському конгресі з фізики в Брюсселі в жовтні 1927 року. На конгрес зібралось 29 найвидатніших фізиків того часу (17 із них пізніше стали Нобелівськими лауреатами) для обговорення щойно сформульованої квантової теорії.

Це фото було знято в Леопольд парку в Брюсселі під час п’ятого Солвеївського фізичного конгресу в 1927 році. Його часто називають «найінтелектуальнішим фото в історії».
Фото надане: Бенджамін Купрі, Солвеївський міжнародний фізичний інститут.

Під час так званих «дискусій сторіччя» на Солвеївському конгресі 1927 року Нільс Бор захищав нову теорію квантової механіки, сформульовану Вернером Гайзенбергом , в той час як Альберт Ейнштейн намагався підтримувати детерміністську парадигму причини і наслідку. Альберт Ейнштейн сказав свою знамениту фразу: «Бог не грає в кості», на що Нільс Бор відповів: «Ейнштейн, припини говорити Богу що йому робити».

Сьогодні наукова громада згодна з тим, що Нільс Бор переміг у дискусії. Це означає, що наш світ не має розписаного сценарію на основі причини і наслідку, а фактично залежить від випадку. Тобто, ви можете знати все, що можна знати у всесвіті, і все одно не знати, що відбудеться далі.

Нова вірогіднісна парадигма проклала шлях до кращого розуміння деяких головних властивостей квантових часток, які покладено в основу квантових технологій, особливо «суперпозиції» і «зчеплення». Краще розуміння цих фундаментальних квантових принципів стимулювало розвиток квантових технологій нового покоління: квантових сенсорів, квантового зв’язку і квантового обчислення.

Головні принципи квантової механіки (source: Deloitte Insights (2020).

Нинішні і майбутні застосування

Хоча квантове обчислення отримало більшу частину уваги в зв’язку з квантовими технологіями, існує цілий світ квантових сенсорів і квантового зв’язку не менш захоплюючий і багатообіцяючий.

Квантові сенсори

Квантові сенсори ґрунтуються на ультрахолодних атомах або фотонах, якими обережно маніпулюють за допомогою суперпозиції або зчеплення у конкретних «квантових станах». Використовуючи той факт, що квантові стани надзвичайно чуттєві до порушень, квантові сенсори здатні вимірювати дуже малі розбіжності в усіх видах різних властивостей, таких як температура, прискорення, гравітація або час.

Квантові сенсори мають потенціал трансформувати нашу технологію вимірювання і виявлення. Вони не лише дозволяють здійснювати набагато точніші і чуттєві вимірювання, але й відкривають можливості для вимірювання речей, які ми ніколи раніше не були здатні виміряти. Назвемо лише декілька – квантові сенсори можуть надати нам можливість точно виявляти, що лежить у нас під ногами за допомогою підземного мапування; забезпечувати системи раннього попередження про виверження вулканів; надавати автономним системам можливість «бачити», що відбувається за рогом; і використовувати портативні сканери для моніторингу мозкової діяльності людини (джерело: Сайнтіфік амерікен).

Хоча квантові технології можуть здаватись технологіями далекого майбутнього, перші квантові сенсори вже фактично є на ринку (наприклад, атомні годинники і гравіметри). Дивлячись вперед, ми можемо очікувати на появу нових квантових сенсорних застосувань протягом наступнихнайближчих п'яти - семи років, особливо на пристроях для навігації і визначення часу на основі квантового позиціювання (PNT) і квантових радарних технологій.

Квантовий зв'язок

Потенціал квантового зв’язку визначається його обіцянкою забезпечити «ультразахищене» передавання даних, потенційно навіть повністю недоступне для хакерів. Нині наш обмін даними залежить від потоків електричних сигналів, які представляють одиниці (1) і нулі (0), які біжать по оптоволоконних кабелях. Хакер, якому вдається підключитись до такого кабеля, може читати і копіювати ці біти в міру їхнього руху по кабелю. З іншого боку, у квантовому зв’язку інформація, що передається, закодована в квантову частку у суперпозиції 1 і 0, так званій «кубіт». Завдяки чуттєвості квантових станів до зовнішніх подразників щоразу, коли хакер намагається захопити інформацію, що передається, кубіт «згортається» або до 1, або до 0 – таким чином знищуючи квантову інформацію і залишаючи підозрілий слід.

Першим застосуванням квантового зв’язку стало так зване «Квантове поширення ключів» (QKD), в якому квантові частки використовуються для обміну криптографічними ключами. В QKD самі дані передаються традиційною інфраструктурою зв’язку, в той час як необхідні для розшифрування даних криптографічні ключі передаються окремо за допомогою квантових часток. Вже ведуться широкомасштабні експерименти з QKD із застосуванням як наземних ліній зв’язку, так і космічного зв’язку. У 2016 році Китай запустив перший у світі квантовий науковий супутник «Міціус», який вже продемонстрував міжконтинентальне QKD «земля-супутник» та «супутник-земля», забезпечивши захищену відеоконференцію між Пекіном і Віднем (source).

«Квантова телепортація» може стати наступним кроком у квантовому зв’язку. Якщо у QKD криптографічні ключі поширюються із застосуванням квантової технології, при квантовій телепортації сама інформація передається із застосуванням зчеплених квантових пар. Найбільша відстань, на яку досі була здійснена телепортація за допомогою оптоволоконного кабеля, становить 50 кілометрів (source), і на найближчі роки стоїть завдання розвитку квантової телепортації задля забезпечення захищеного зв’язку на більші відстані.

Кінцевою метою квантового зв’язку є створення «квантового Інтернету»: мережі зчеплених між собою квантових комп’ютерів, підключених до ультразахищеного квантового зв’язку, гарантованого фундаментальними законами фізики. Проте квантовому Інтернету потрібна не лише квантова телепортація на дуже великі відстані, йому також буде потрібний подальший розвиток інших важливих допоміжних технологій, таких як квантові процесори, комплексний квантовий стек Інтернету, який передбачає Інтернет протоколи і програмне забезпечення квантового Інтернету. Це справді завдання на довгі роки і, хоча справді важко визначити чи визріє ця технологія і коли точно це станеться, більшість науковців схиляються до думки про 10-15 років.

Квантове обчислення

Квантове обчислення значно посилить нашу здатність розв’язувати деякі із найскладніших проблем обчислення. По суті, кажуть, що квантове обчислення відрізняється від класичного обчислення так як класичний комп’ютер відрізняється від рахівниці.

Як говорилось раніше, в той час як класичні комп’ютери здійснюють обчислення за допомогою бінарних чисел (0 або 1), квантові комп’ютери представляють інформацію, використовуючи квантові біти (кубіти), які можуть бути в суперпозиції обох станів (0 і 1 водночас).

Оскільки кубіти надзвичайно чуттєві до зовнішніх подразників, для того щоб контролювати, маніпулювати і використовувати їх кубіти потрібно охолоджувати до рівня, що наближається до абсолютного мінімуму температури (або нуля по Кельвіну), приблизно 15 мілікельвінів. Це холодніше як у космічному просторі! Фактично, всередині квантового комп’ютера найхолодніше місце відоме нам у всесвіті.

Квантовий комп’ютер, побудований IBM: the IBM Q System One (джерело: Форбс). Хочете його послухати? Відвідайте це посилання для того, щоб послухати серцебиття квантового комп’ютера.

Кубіти дозволяють квантовим комп’ютерам робити численні обчислення водночас, що потенційно приводить до неймовірного збільшення ефективності обчислень на відміну від класичних комп’ютерів. Є цілий ряд застосувань, де квантові комп’ютери принесуть особливі зміни:

    1. Моделювання фізичних систем задля винайдення ліків і розроблення нових матеріалів;
    1. Розв’язання комплексних проблем оптимізації в ланцюгах постачання, логістиці і фінансах;
    1. Поєднання зі штучним розумом задля прискорення машинного навчання;
    1. Факторизація цілих чисел, що дозволяє розшифровувати найбільш широко застосовані протоколи кібербезпеки (наприклад, RSA, асиметричний алгоритм кодування, який застосовується для захищеного передавання даних).

Великі технологічні компанії, такі як IBM, Google і Microsoft вже змагаються за «квантову перевагу», момент, коли квантовий комп’ютер успішно розв’яже проблему, яку жоден класичний комп’ютер не зможе розв’язати за якийсь реальний проміжок часу.

У жовтні 2019 року Google заявила, що вона досягла квантової переваги на своєму 53-х кубітовому квантовому комп’ютері. Проте критики кажуть, що проблема, яку розв’язали під час експерименту Google, не мала практичної цінності і тому перегони за квантову перевагу продовжуються.

Нинішні квантові комп’ютери мають майже 60 кубітів, але подальший розвиток відбувається щороку і доволі швидко, а амбіції високі. Минулого вересня IBM оприлюднила дорожню карту з розроблення власних квантових комп’ютерів, в тому числі мету побудувати квантовий комп’ютер на 1000 кубітів до 2023 року (джерело). Google має власний план з побудови квантового комп'ютера на мільйон кубітів до 2029 року. (джерело).

З квантовими комп’ютерами на 1000 кубітів, так званими «шумними квантовими комп’ютерами проміжного масштабу» (NISQ), ми вже бачимо цінне практичне застосування для розроблення матеріалів, винайдення ліків або логістики. Тому найближчі п’ять - десять років будуть особливо цікавими для квантового обчислення.

Вплив на оборону і безпеку

Квантові технології мають потенціал принести абсолютно нові можливості, дозволити нам відчувати те, що не відчувається, трансформувати кібербезпеку і дати нам змогу розв’язувати проблеми, які ми ніколи раніше не могли розв’язати. В середовищі оборони і безпеки два застосування матимуть особливо значний вплив в найближчій і середній перспективі.

По-перше, квантові сенсори. Квантові сенсори можуть мати дуже перспективне військове застосування. Наприклад, квантові сенсори можуть використовуватись для виявлення субмарин і літаків-невидимок, вони також можуть використовуватись для високоточної навігації і синхронізації (PNT). Такі «квантові пристрої PNT» можуть використовуватись як надійні інерційні навігаційні системи, які забезпечують навігацію без необхідності у зовнішній прив’язці, такій як GPS. Це може надати радикально нові можливості для підводної навігації підводних човнів, наприклад, а також як запасна система навігації для надводних платформ у разі втрати сигналу GPS.

Перші квантові сенсори вже з’явились на ринку ставши найбільш розвиненою технологією серед сенсорів, зв’язку і обчислення. Більше того, в сфері квантового зв’язку і обчислення очікується, що цивільний сектор буде активно їх розвивати зважаючи на неймовірний потенціал, який вони мають для цивільної промисловості. Проте потенційне застосування квантових сенсорів, таких як квантові PNT і квантовий радар особливо цікаве для військових. Тому саме військовим потрібно фінансувати, підтримувати і спрямовувати науково-дослідну роботу в цій сфері для того, щоб ці потенційні застосування стали реальністю.

По-друге, "квантова загроза» з боку квантового обчислення, як було зазначено в попередньому розділі, факторизація цілих чисел – це один із типів проблем, які квантові комп’ютери можуть розв’язувати особливо ефективно. Більшість нашої цифрової інфраструктури і практично все, що ми робимо онлайн, – чи то відеоконференція, розсилка елеронної пошти або онлайн доступ до наших банківських рахунків – зашифровано за допомогою криптографічних протоколів на основі того, що розв’язати проблему такого зразка факторизації цілих чисел важко (наприклад, алгоритм RSA). Хоча придатні для практичного використання квантові комп’ютери все ще потребують розробки, квантовий алгоритм для розв’язання цих проблем і розшифрування нашої цифрової комунікації, тобто алгоритм Шора, був винайдений в 1994 році і очікує на квантовий комп’ютер, який зможе ним користуватись.

Для ілюстрації, малюнок знизу є прикладом проблеми факторизації цілих чисел, що використовується для захисту потенційно закритої інформації.

Приклад проблеми факторизації цілих чисел, на якій основуються наші нинішні системи кібербезпеки. (source)

Хоча можна подумати, що будь-який графічний калькулятор спроможний розв’язати цю, на перший погляд, нескладну математичну проблему, насправді найшвидшому в світі суперкомп’ютеру знадобився би весь період життя всесвіту для її розв’язання. А квантовий комп’ютер зміг би розв’язати її за декілька хвилин (джерело).

Це безпосередня загроза для суспільства загалом, а особливо для військових, зважаючи на важливість захищеного зв’язку і захищеної інформації для оборони і безпеки. Задля протидії цій загрозі нам буде потрібно повністю удосконалити нашу захищену цифрову інфраструктуру, використовуючи «квантово стійку» криптографію, тобто, захищену від квантових і класичних комп’ютерів. Один із варіантів – почекати на розвиток квантової комунікації (QKD, або квантової телепортації) і скористатись цією квантовою технологією для захисту від іншої квантової технології. Проте час не на нашому боці. Не лише тому, що технологія квантового обчислення може випередити розвиток квантової комунікації, а і тому, що загроза вже існує. Маючи перспективу отримати доступ до майбутніх квантових комп’ютерів, хакери можуть викрасти зашифровану інформацію сьогодні, зберігати її і розшифрувати за 10-25 років, застосувавши майбутній квантовий комп’ютер.

Кращим варіантом є застосування «постквантової криптографії» (PQC), нових класичних (не квантових) криптографічних алгоритмів, які навіть квантові комп’ютери не зможуть розв’язати. Нині американський Національний інститут стандартів і технології (NIST) очолює міжнародний конкурс на вибір алгоритму(ів) PQC, які будуть стандартизовані і прийняті в світі. Цей процес розпочався в 2016 році і у липні 2020 року NIST оголосив, що він вже відібрав сім фіналістів.

Ми можемо очікувати, що NIST проведе остаточний відбір для стандартизації на початку 2022 року і створить фактичні стандарти до 2024 року (джерело). Відповідальні особи в промисловості і у військових колах мають відзначити ці дати олівцем у своїх календарях, розпочати підготовку до великого удосконалення кібербезпеки і забезпечити вчасний старт цієї роботи.

Що попереду ?

Нові досягнення в розробці квантових технологій потенційно можуть принести нові захоплюючі можливості для військових. Зважаючи на значну зацікавленість і фінансування квантових технологій з боку як цивільної промисловості, так і урядів, очікується, що ці технології будуть розвиватись і нові квантові застосування стануть доступними протягом найближчих п'яти - десяти років. Проте для того щоб військові Альянсу могли фактично користуватись перевагами цих нових квантових технологій, важливо, щоб члени Альянсу активно включились в роботу в цій сфері і скеровували розробку і запровадження військових застосувань квантових технологій. Це повинно передбачати не лише взаємодію з великими технологічними компаніями, а також, особливо, зі старт-апами, університетами і науково-дослідними інститутами, бо саме вони відіграють головну роль в інноваціях в цих нових технологіях.

Військові Альянсу можуть забезпечити значну додану вартість наявним зусиллям промисловості і науки, надавши інфраструктуру для тестування і випробувань (випробувальні центри) і доступ до військових операторів, які будуть кінцевими користувачами. Якомога більш ранні експерименти з цими технологіями не лише допоможуть їхньому подальшому розвитку, але й допоможуть військовим ознайомитись з цими технологіями і їхніми можливостями, що сприятиме майбутньому запровадженню. Більше того, активна участь в квантовій екосистемі покращує розуміння військовими потенційних ризиків, зв’язаних з квантовими технологіями, особливо в кіберсфері.

** Це п’ята стаття з мінісерії, присвяченої інноваціям, яка зосереджена на технологіях, які члени Альянсу прагнуть засвоїти, і можливостях, які вони зможуть додати обороні і безпеці альянсу НАТО. Попередні статті:**