02.02.2019 Квантовые вычисления и защита
IISS: The Military Balance 2019. Часть 3.
Потенциальные военные применения; национальные программы; квантовое превосходство
Интеграция квантовых технологий в настоящее время представляет собой одно из самых ожидаемых достижений для Вооруженных сил, однако их точное воздействие по-прежнему трудно предсказать. Хотя до экономичного применения и широкого использования еще много лет, нет сомнений в том, что они будут иметь разрушительный эффект, когда они будут использоваться в масштабе. В мае 2018 года глава quantum computing в технологической фирме Intel предположил, что "если через 10 лет у нас будет квантовый компьютер с несколькими тысячами кубитов, это, безусловно, изменит мир так же, как и первый микропроцессор". (Кубит, или квантовый бит, является основной единицей информации в квантовом компьютере, аналогичной биту в стандартном компьютере .) Однако, хотя квантовая технология, как ожидается, в конечном итоге окажет далеко идущее воздействие на вооруженные силы, разведывательные службы и правоохранительные органы, неясно, насколько она изменит традиционный баланс сил между государствами или между государствами и негосударственными субъектами .
Потенциальные военные применения
Область квантовой информатики дает начало многократным новым связанным с защитой приложениям, которые часто группируются под единственным прозвищем 'Квант', но которые заслуживают независимого рассмотрения. Квантовое распределение ключей (QKD), квантовый криптоанализ и квантовое зондирование обещают существенно повлиять на стратегическую безопасность по-разному. Например, QKD обеспечивает краткосрочное преимущество для защитников для обеспечения их связи, в то время как квантовый криптоанализ является по своей сути наступательной способностью, хотя и созревает более медленными темпами. Обобщенные квантовые вычисления предлагают много других возможностей, но на данном этапе они слишком неопределенны, чтобы позволить согласованный анализ их эффектов второго порядка.
Наиболее распространенной формой квантового шифрования является передача криптографических ключей (т. е. QKD) с использованием квантовых "суперпозиций" фотонов во время инициации сеансов безопасной связи. В соответствии с принципом неопределенности Гейзенберга точные состояния фотонов неопределенны до тех пор, пока они не будут изолированы и измерены – только тогда они проявляют определенное состояние поляризации. Поскольку сам процесс перехвата (или "подслушивания") кубита необратимо изменяет его, QKD предлагает ценный способ узнать, были ли перехвачены и изучены сообщения (например, через атаку "человек в середине"). Это аналогично использованию защищенных от несанкционированного доступа конвертов для отправки писем через стандартную почтовую сеть. Технология QKD применима к существующим системам для зашифрованной связи, но до последних нескольких лет она сталкивалась с проблемами реализации на больших расстояниях, тем самым делая ее непрактичной вне ограниченных сред.
Квантовый криптоанализ относится к конкретному применению квантовых вычислений для расшифровки кодированных сообщений. Современные стандарты шифрования в основном основываются на математических алгоритмах кодирования данных, которые практически невозможно взломать в любой разумный период времени. Например, американскому военному стандарту 256-битного шифрования теоретически потребовались бы миллиарды лет, чтобы современные компьютеры взломали код с помощью методов грубой силы (т. е. "проб и ошибок" всех возможных решений). Квантовые компьютеры, однако, в конечном итоге смогут заменить последовательные методы проб и ошибок для обработки таких сложных математических задач альтернативными средствами для одновременного рассмотрения многих возможностей. Перспектива квантового криптоанализа настолько заманчива, что некоторые страны уже начинают собирать зашифрованные иностранные сообщения, ожидая, что они смогут извлечь ценные секреты из этих данных в будущем. Когда квантовый криптоанализ станет доступен, он существенно повлияет на международные отношения, сделав широковещательные (или перехваченные) сообщения открытыми для дешифрования. Для стран, которые широко полагаются на шифрование для обеспечения безопасности военных операций, дипломатической переписки или других конфиденциальных данных, это может стать переломным событием.
В сентябре 2018 года Соединенные Штаты опубликовали свой национальный стратегический обзор квантовой информатики, в котором квантовое зондирование определено как "использование квантовой механики для повышения фундаментальной точности измерений и/или создания новых режимов или модальностей для датчиков и измерений". Такие новые возможности дадут явные военные преимущества. Комитет экспертов Соединенного Королевства по оборонной науке подчеркнул потенциальную важность усовершенствованных гравитационных датчиков (квантовых гравиметров), которые могли бы обнаруживать движущиеся массы под водой, такие как подводные лодки. Сверхпроводящие магнитометры, которые используют квантовую технологию для измерения незначительных изменений магнитных полей, также могут использоваться для обнаружения вражеских подводных лодок, в то время как квантовый радар может использоваться для обнаружения даже малозаметных самолетов. Как заявила Лаборатория оборонной науки и техники Великобритании ‘ " ожидается, что будут задействованы новые военные подрывные технологии (например, новые средства связи или радары)". Квантовые технологии уже являются частью разработок, связанных с миниатюризацией атомных часов, которые полезны для определения местоположения, навигации и синхронизации.
Квантовые вычисления, вероятно, обеспечат другие разрушительные приложения, хотя еще слишком рано на этапе исследований и разработок предвидеть, какие изобретения ждут впереди или как дружественные силы или противники могут использовать их. Квантовые вычисления не смогут полностью вытеснить классические вычислительные методы, основанные на транзисторах и кремниевых микрочипах. Вместо этого квантовые вычисления лучше всего рассматривать как альтернативную, взаимодополняющую и даже синергетическую технологию, которая сможет решить некоторые проблемы, которые современные компьютеры не могут, но которые, скорее всего, также будут сравнительно неэффективными или лишь незначительно лучше для решения других проблем, в которых современные компьютеры превосходят.
Национальная программа
Несколько стран вкладывают значительные средства в квантовые исследования для получения экономических и военных преимуществ. Двойной характер квантовых вычислений означает, что частные компании и университеты также будут играть ключевую роль в изобретении и адаптации этих новых технологий. В своем представлении в марте 2018 года в Комитет по науке и технике Палаты общин Великобритании Институт физики заявил, что "Великобритания должна преобразовать свою мощную исследовательскую базу в коммерческие продукты, углубляя связи между академическими кругами и промышленностью и используя соответствующие промышленные сильные стороны". Степень, в которой национальное государство может мобилизовать ресурсы для приоритетного развития военного применения, может оказаться решающим преимуществом в этой новой технологической гонке.
Китай был ранним лидером в области квантовых исследований и разработок. В 2016 году Пекин предпринял усилия для достижения крупных прорывов в квантовых технологиях к 2030 году, и в том же году он запустил первый в мире квантовый спутник, который телепортировал фотон на Землю в 2017 году. Миций Спутник в настоящее время успешно завершил QKD с орбиты на наземные станции в Синлуне, Китай и Грац, Австрия. В 2017, Китай также установил первое международное, земное соединение Квант-связи между Пекином и Шанхаем. Эти научные достижения представляют собой знаковые инициативы, которые могут защитить правительственные коммуникации Китая от иностранных наблюдений – по крайней мере, до тех пор, пока постквантовый криптоанализ не станет функциональной реальностью. Планируемая Национальная лаборатория квантовых информационных наук в провинции Хэфэй, провинция Аньхой, стоимостью 10 миллиардов долларов США, возглавит национальную программу квантовых вычислений и зондирования.
США-еще один возможный лидер в гонке по реализации квантовых приложений для обороны. С 2016 года правительство спонсировало более 200 миллионов долларов США в области квантовых исследований, а в 2018 году Министерство энергетики и Национальный научный фонд выделили еще 250 миллионов долларов США на поддержку квантового зондирования, вычислений и связи через двух - пятилетние гранты. Среди вооруженных сил исследовательское бюро армии США финансирует обширные исследования в области квантовых вычислений, в то время как ВВС США рассматривают его как преобразующую технологию для информационной и космической войны. Но еще более актуальными могут быть компании частного сектора, такие как Google, IBM, Intel и Microsoft, которые проводят квантовые исследования уже почти десять лет. На Западе они-вместе с канадской компанией D – Wave Systems-возглавляют разработку квантовых компьютеров, которые могут управлять военными платформами с квантовой поддержкой будущего.
В совокупности европейские страны также вкладывают значительные средства и добиваются значительных успехов. Флагманская программа Европейской Комиссии по квантовым технологиям будет представлять собой крупномасштабную исследовательскую инициативу в размере порядка €1 млрд ($1,1 млрд) в течение десятилетнего периода. Она направлена на четыре основные области квантовых технологий: Связь, вычисление, моделирование и зондирование. В 2013 году правительство Великобритании объявило о пятилетних инвестициях в размере 270 млн иен (422 млн долларов США) в собственную национальную программу квантовых технологий, которая призвана "создать согласованное правительство, промышленность и академическое сообщество квантовых технологий", а квантовые технологии были в конце 2018 года предметом парламентского расследования в Великобритании. Президент Франции Эммануэль Макрон подписал меморандум о взаимопонимании с тогдашним премьер-министром Австралии Малкольмом Тернбуллом в мае 2018 года о совместном предприятии между двумя странами по разработке и коммерциализации квантовой Кремниевой интегральной схемы. Это совместное предприятие объединит усилия австралийской компании Silicon Quantum Computing и французского исследовательского института Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives. Наконец, в сентябре 2018 года Германия объявила о новом финансировании исследований в области квантовых технологий на сумму € 650m (US $ 771m) на период 2018-22.
Россия также инвестирует в квантовые вычисления в Российском квантовом центре, но она не выделяет такой же объем ресурсов, как другие страны, и остается позади Китая и США. Это может частично коррелировать с общим снижением научно-исследовательского потенциала России с 1990-х годов. Однако, как сообщается, президент Владимир Путин увеличил национальные расходы на исследования и разработки (НИОКР) до 1% от валового внутреннего продукта России, при этом на фундаментальные научные исследования и разработки в 2018 году выделено 187 млрд рублей (3 млрд долларов США). Тем не менее, недавние прорывы в квантовой информатике не были вызваны российскими исследователями, как видно из громких озабоченностей США по поводу растущего "квантового разрыва" с Китаем, без аналогичного внимания к угрозам со стороны России в этой области.
Квантовое превосходство
Термин "квантовое превосходство" относится к способности квантового компьютера выполнять задачи, выходящие за пределы возможностей самых мощных современных суперкомпьютеров. Google анонсировала 72-кубитный процессор в 2018 году, превысив рекорд IBM в предыдущем году в 50 кубитов, и заявила, что ее новый чип может достичь квантового превосходства в течение года. Но важно не только количество кубитов; скорее, комбинация факторов, включая "глубину" квантовой цепи или количество логических операций, которые она может выполнить до распространения ошибок, влияет на истинную вычислительную мощность, которую исследователи IBM назвали "квантовым объемом". Intel разделяет мнение о том, что квантовые технологии невероятно сложны и потребуют значительного времени для совершенствования коммерческих приложений.
Также стоит подумать о том, что квантовые технологии могут означать для геополитики. Есть основания для беспокойства, что появление квантовых технологий только усугубит цифровой разрыв между странами и увеличит неравенство в области безопасности. Например, квантовый криптоанализ теоретически может быть отличным эквалайзером, но на самом деле он может стать доступным только для богатых, развитых стран, которые могут позволить себе управлять необходимыми активами. Если горстка избранных стран может как обеспечить прозрачность коммуникаций своих противников, так и защитить свои собственные с помощью алгоритмов QKD или постквантового шифрования, то гегемонистские отношения могут сохраниться. То же самое можно сказать и о массивной обработке данных для предоставления технически продвинутым государствам разведывательных и оперативных преимуществ в режиме реального времени. Эта потенциальная новая дилемма безопасности была поднята во время 4-го Европейского форума по кибербезопасности в Кракове, Польша, в октябре 2018.
И наоборот, развитие и широкое распространение квантовых технологий со временем может привести к уменьшению сравнительных преимуществ некоторых держав. Если каждое правительство сможет обеспечить свою связь, обрабатывать разведывательные данные с беспрецедентными до сих пор масштабами и скоростью и обнаруживать иностранные военные объекты в воздухе или под водой, то можно будет наблюдать эффект выравнивания. На данном этапе можно быть уверенным только в том, что техническое квантовое превосходство является неизбежным и близким, и что разрушительные последствия квантовых технологий, вероятно, приведут страны к изменению своих оборонных позиций.
- << Назад
- Вперёд