квантовой связи – создать «квантовый Интернет»: сеть запутанных квантовых компьютеров, связанных сверхбезопасной квантовой связью, гарантированной фундаментальными законами физики. Однако квантовый Интернет не только требует квантовой телепортации на очень большие расстояния, но и требует дальнейшего развития других важных технологий, таких как квантовые процессоры, всеобъемлющий квантовый Интернет-стек, включая Интернет-протоколы и программные приложения квантового Интернета. Это действительно долгосрочные усилия, и, хотя трудно определить, созреет ли эта технология и когда именно, большинство ученых определяют временной горизонт в 10-15 лет.
Квантовые вычисления
Квантовые вычисления значительно увеличат нашу способность решать некоторые из самых сложных вычислительных задач. Фактически, квантовые вычисления отличаются от классических, как классический компьютер отличается от счётов.
Как объяснялось выше, в то время как классические компьютеры выполняют вычисления с использованием двоичных цифр (0 или 1), квантовые компьютеры представляют информацию с помощью квантовых битов (кубитов), которые могут находиться в суперпозиции обоих состояний (О и 1 одновременно).
Поскольку кубиты чрезвычайно чувствительны к внешним возмущениям, чтобы иметь возможность управлять ими, манипулировать ими и использовать их, кубиты необходимо охладить до уровня, чрезвычайно близкого к абсолютному минимуму температуры (или нулю Кельвинов), около 15 милликельвинов. Это холоднее космоса! Фактически, внутри квантового компьютера находится самое холодное место во Вселенной, о котором мы знаем.
Кубиты позволяют квантовым компьютерам выполнять несколько вычислений одновременно, потенциально приводя к огромному увеличению вычислительной эффективности по сравнению с классическими компьютерами. Есть ряд приложений, в которых квантовые компьютеры будут особенно трансформирующими:
– Моделирование физических систем для открытия лекарств и создания новых материалов;
– Решение сложных задач оптимизации в цепочке поставок, логистике и финансах;
– Сочетание с ИИ для ускорения машинного обучения;
– Факторизация целых чисел, позволяющая дешифровать наиболее часто используемые протоколы кибербезопасности (например, RSA, алгоритм асимметричного шифрования, используемый для безопасной передачи данных). Крупные технологические компании, такие как IBM, Google и Microsoft, стремятся к «квантовому превосходству», определяемому моментом, когда квантовый компьютер преуспеет в решении проблемы, которую ни один классический компьютер не мог бы решить за любой возможный промежуток времени.
В октябре 2019 года Google заявила, что достигла квантового превосходства на своем 53-кубитном квантовом компьютере. Однако критики говорят, что проблема, решенная в эксперименте Google, не имела практического значения, и поэтому гонка за квантовое превосходство все еще продолжается.
Современные квантовые компьютеры имеют около 60 кубитов, но дальнейшие разработки быстро сменяют друг друга, а амбиции высоки. В сентябре прошлого года IBM анонсировала план развития своих квантовых компьютеров, включая цель построить к 2023 году квантовый компьютер с 1000 кубитами. У Google есть собственный план по созданию квантового компьютера на миллион кубитов к 2029 году.
Благодаря квантовым компьютерам на 1000 кубитов, так называемым шумным квантовым компьютерам промежуточного масштаба (NISQ), мы уже можем увидеть некоторые ценные практические приложения в области проектирования материалов, открытия лекарств или логистики. Поэтому ближайшие пять-десять лет будут невероятно захватывающими для квантовых вычислений.
Последствия для обороны и безопасности
Квантовые технологии обладают потенциалом для открытия новых глубоких возможностей, позволяя нам ощутить бесчувственное, и позволяя решать проблемы, которые мы никогда раньше не могли решить.
В среде защиты и безопасности следующие два приложения будут иметь особенно важное значение в ближайшей и среднесрочной перспективе:
Во-первых, квантовое зондирование. Квантовые датчики имеют многообещающее военное применение. Например, квантовые датчики могут использоваться для обнаружения подводных лодок и самолетов-невидимок. Квантовые датчики могут использоваться для определения местоположения, навигации и времени (PNT). Такие «квантовые устройства PNT» можно использовать в качестве надежных инерциальных навигационных систем, которые позволяют осуществлять навигацию без необходимости внешних ссылок, таких как GPS. Это может изменить правила игры, например, для подводной навигации на подводных лодках, а также в качестве резервной навигационной системы для надводных платформ в случае потери сигнала GPS.
Первые квантовые датчики уже коммерчески доступны, что делает их наиболее зрелой технологией в области зондирования, связи и вычислений. Более того, ожидается, что гражданский сектор будет стимулировать развитие квантовой связи и вычислений, учитывая огромную потенциальную ценность, которую они имеют для гражданской промышленности. Однако потенциальные приложения квантового зондирования, такие как квантовый PNT и квантовый радар, особенно интересны для военных. Следовательно, именно военные должны финансировать, поддерживать и направлять исследования и разработки в этой области, чтобы эти потенциальные приложения стали реальностью.
Во-вторых, «квантовая угроза», которую представляют квантовые вычисления. Как упоминалось в предыдущем разделе, факторизация целых чисел – это один из типов задач, которые квантовые компьютеры могут решать особенно эффективно. Большая часть нашей цифровой инфраструктуры и практически все, что мы делаем в Интернете – будь то видеоконференции, отправка электронной почты или доступ к нашему онлайн банковскому счету – зашифровано с помощью криптографических протоколов, основанных на сложности решения таких задач целочисленной факторизации (например, RSA алгоритм). Хотя практически пригодные для использования квантовые компьютеры все еще нуждаются в разработке, квантовый алгоритм для решения этих задач и дешифрования нашей цифровой связи, то есть алгоритм Шора, уже изобретен в 1994 году и ждет квантового компьютера, способного его запустить.
Хотя вы можете подумать, что любой графический калькулятор сможет решить эту, казалось бы, простую математическую задачу, на самом деле, самый быстрый суперкомпьютер в мире потребует для ее решения все время жизни Вселенной. Однако квантовый компьютер мог бы решить эту проблему за пару минут.
Квантовая угроза – это серьезная угроза для общества в целом, а также для военных, учитывая важность защищенной связи и надежной информации для обороны и безопасности. Чтобы противостоять ей, придется полностью обновить всю безопасную цифровую инфраструктуру, используя криптографию, которая является «квантовой», то есть защищенную как от квантовых, так и от классических компьютеров. Один из вариантов – дождаться, пока квантовая связь (QKD или квантовая телепортация) созреет, и использовать эту квантовую технологию для защиты от других квантовых технологий. Однако время не на нашей стороне. Технология квантовых вычислений может не только опередить развитие квантовых коммуникаций, но и уже сегодня создает угрозу.
Лучшим вариантом защиты от угрозы является реализация «постквантовой криптографии» (PQC), новых классических (т. е. неквантовых) криптографических алгоритмов, которые не смогут решить даже квантовые компьютеры. В настоящее время Национальный институт стандартов и технологий США (NIST)проводит международный конкурс по выбору алгоритмов PQC, которые будут стандартизированы и приняты во всем мире. Процесс начался в 2016 году, а в июле 2020 года NIST объявил, что у него есть семь окончательных кандидатов.
Можно ожидать, что NIST сделает свой окончательный выбор для стандартизации к началу 2022 года и установит фактические стандарты к 2024 году.
Путь вперед
Новые достижения в исследованиях и разработках квантовых технологий могут принести в военную сферу новые захватывающие
