Научные достижения в квантовой механике в ХХ веке способствовали возникновению ядерной энергетики, появлению полупроводников, лазеров и ядерного оружия. В данной статье термин «квантовые технологии» будет применяться для обозначения технологий, появившихся и/или возникающих в ХХI веке в результате достижений при разработке методов и способов манипулирования, контроля и управления отдельными квантовыми системами* и, самое главное, для использования в проведении измерений различных физических величин и получения результатов следующих квантовых принципов (эффектов):
– квантовая суперпозиция – принцип, устанавливающий, что квантовая система способна одновременно находиться больше, чем в одном состоянии;
– квантовая когерентность – сохранение квантовой суперпозиции во времени и пространстве; – квантовая «запутанность» – квантово-механическое явление, при котором состояние двух или большего числа квантовых систем оказываются взаимозависимыми независимо от расстояния между ними;
– квантовая телепортация – передача квантового состояния на расстояние при помощи разъединенной в пространстве запутанной пары и классического канала связи, при которой состояние разрушается в точке отправления при проведении измерения и воссоздается в точке приема;
– квантовое туннелирование (туннельный эффект) – преодоление микрочастицей потенциального барьера в случае, когда ее полная энергия (остающаяся при туннелировании неизменной) меньше высоты барьера.
*Квантовая система – система, физические свойства которой характеризуются квантами (неделимая часть какой-либо величины) энергии, момента количества движения (углового момента), его проекции и других величин. К квантовым системам относятся, например, ионы, фотоны, электрон в атоме водорода, свободные электроны или иные элементарные частицы, электроны в кристалле (квазичастицы – электроны и дырки), колеблющиеся атомы в кристалле (квазичастицы фононы), взаимодействующие спины в решеточной модели (квазичастицы магноны).
Внедрение квантовых технологий в военном деле не приведет к появлению новых видов оружия, однако позволит повысить на несколько порядков точность, быстроту и скрытность измерений, получение и передачу информации, вычислительную производительность обработки полученных разведданных. Это в свою очередь повысит эффективность применения существующих и будущих видов вооружения и военной техники (ВВТ), сократив время на принятие решений. По оценкам западных специалистов, их применение в перспективе приведет к изменению способов ведения войны и потребует обновления или выработки новых военных доктрин. В декабре 2018 года в США был принят «Закон о национальной квантовой инициативе» (National Quantum Initiative), главной целью которого является назначение федеральных органов, отвечающих за проведение скоординированной политики в области квантовых исследований и разработок в интересах экономики и национальной безопасности. С 2021 года США инвестируют в развитие квантовых технологий ежегодно около 820 млн долларов. В Великобритании в марте 2023 года была принята Национальная стратегия развития квантовых технологий (UK National Quantum Strategy), в которой ставится цель – ускорить темпы коммерциализации квантовых технологий. Эта стратегия определяет видение, план и приоритетные действия на следующие 10 лет – до 2033 года. В течение этого периода в квантовые исследования и разработки планируется инвестировать 2,5 млрд фунтов стерлингов.
Квантовые датчики более чувствительны, чем датчики, основанные на других технологиях. Они позволяют получать информацию с точностью, превышающей на несколько порядков точность современных измерительных устройств. Применение разрабатываемых квантовых датчиков в системах военного назначения обеспечит превосходство над классическими следующими способами:
– с помощью квантовых датчиков визуализации, квантовых радиочастотных антенн – в четкости распознавания и скрытности обнаружения объектов противника;
– посредством квантовых инерциальных датчиков – в гарантированном получении и сохранении в течение длительного времени высокоточной навигационной информации о своем местоположении мобильными военными системами (ракетное оружие, подводные лодки, воздушные, наземные, подводные и надводные автономные аппараты), когда сигнал от космических навигационных систем подавлен или искажен;
– с помощью квантовых гравитационных, магнитных датчиков – в скрытности и точности определения своего местоположения, а также в возможности обнаружения систем противника, таких как подводные лодки, наземные и морские мины, замаскированные транспортные средства, подземные бункеры и ракетные шахты.
Квантовые датчики визуализации и радиочастотные антенны. Квантовая визуализация (КВ) использует квантовые корреляции фотонов и позволяет на несколько порядков увеличивать разрешающую способность датчиков обнаружения целей и повышать контрастность их изображения. Такие технологии обладают потенциалом для значительного улучшения ситуационной осведомленности на поле боя и могут помочь в обнаружении, идентификации и классификации целей с низким отношением сигнал/ шум или со скрытыми видимыми и другими сигнатурами в электромагнитном спектре, что позволит потенциально противодействовать камуфляжу противника или другим методам маскировки целей. К системам КВ относятся квантовые РЛС, лидар (устройства, сканирующие пространство с помощью лазерных лучей), дальномер и камеры. Датчики квантовой визуализации позволят с большей эффективностью обнаруживать, классифицировать и идентифицировать цели на поле боя. В перспективе (5–10 лет) в составе комплексов противовоздушной обороны малой дальности ведущих зарубежных стран возможно появление экспериментальных квантовых лидаров с дальностью обнаружения 10–45 км. Самой большой проблемой при работе квантовой РЛС в активном режиме является необходимость высокой скорости радиочастотной генерации «запутанных» фотонов, требуемое количество которых на несколько порядков выше, чем возможно генерировать в настоящее время. Также теоретические работы показывают, что квантовый радар длительного наблюдения с дальностью действия в сотни километров на современном этапе развития квантовых технологий был бы чрезвычайно дорогим, громоздким и не обладал бы преимуществами, которые может дать эффект квантовой «запутанности». По этой причине в ближайшие 10–15 лет разработка и принятие на вооружение квантового радара большой дальности маловероятны.
Квантовый дальномер в среднесрочной перспективе станет одним из важных приборов военного назначения. Обычные дальномеры могут быть легко обнаружены противником. Работа квантового в отличие от классического будет незаметна для противника, в том числе и в ночное время. Квантовые камеры, созданные на основе матрицы однофотонных лавинных детекторов, использующие квантовую «запутанность», и корреляции между фотонами, обеспечивают быстрое получение трехмерного изображения с беспрецедентной глубиной фокусировки и низким уровнем шума. Трехмерные изображения, получаемые с БПЛА дальнего действия, могут использоваться для разведки и изучения объектов противника.
Квантовые радиочастотные антенны. Классические РЛС и средства радиэлектронной разведки смогут получить преимущество от использования квантовых элементов на основе атомов Ридберга* в качестве приемной антенны. В то время, как размеры современных радиочастотных антенн прямо пропорциональны длине волны принимаемого или излучаемого сигнала, квантовая технология позволяет получить антенну размером в несколько микрометров независимо от длины волны принимаемого сигнала (даже для работы с низкочастотными сигналами).
*Ридберговские атомы (названы в честь Й.Р. Ридберга) водородоподобные атомы и атомы щелочных металлов, у которых внешний электрон находится в высоковозбужденном состоянии.
В перспективе (5–10 лет) квантовый радиочастотный приемник в виде отдельной ячейки (для узкой полосы пропускания) или матрицы атомных ячеек Ридберга (для широкого диапазона частот) может найти свое применение в радионавигационных приемниках и РЛС. Предполагается, что такие квантовые датчики станут ключевым элементом для связи с низкой вероятностью обнаружения и перехвата, обеспечат прием сигналов загоризонтной направленной радиосвязи, а также будут применяться в системах получения изображений в терагерцевом диапазоне частот.
Уровень готовности данной технологии для внедрения в военном деле довольно высок. В США ДАРПА по программе «Квантовые апертуры» финансирует работы по созданию новых систем радиоприемников и антенн, использующих квантовые датчики в качестве приемных элементов, состоящих из паровых ячеек с атомами в высоковозбужденных «ридберговских» состояниях. Они будут обладать программируемой чувствительностью в широком диапазоне частот и амплитуд. К концу 2023 года в рамках данной программы планировалось разработать систему в интересах МО, в которой используется датчик, состоящий из одного квантового приемного элемента. В конечном счете должна быть создана приемная система, включающая фазочувствительную матрицу квантовых приемных элементов. Применение квантовых инерциальных датчиков вместо классических гироскопов и акселерометров в инерциальных навигационных системах (ИНС) мобильных военных систем позволит создавать навигационные комплексы, обеспечивающие потребителей навигационными данными с точностью, сопоставимой с точностью КРНС в течение длительного периода (от нескольких дней до месяца), когда сигнал от космических навигационных систем отсутствует или искажен. В результате крылатые ракеты, снаряды РСЗО, беспилотные летательные аппараты смогут наносить высокоточные удары по целям на большие дальности в условиях подавления или искажения сигналов от КРНС системами радиоэлектронного противодействия противника. Ожидается, что внедрение квантовых технологий в ИНС комплексов подводных лодок – носителей высокоточного оружия возможно к 2030 году, а применение квантовых технологий в инерциальных блоках высокоточного оружия начнется в 2030–2035 годах.
В Великобритании в рамках «Национальной стратегии по развитию квантовых технологий» выделены средства для создания системы высокоточной навигации и проведения в 2025 году демонстрации готовых прототипов, подтверждающих возможность ее практического применения в условиях, когда сигнал от КРНС недоступен. В период с 2022 по 2023 год в ЕС в соответствии с программой создания высокотехнологичных образцов вооружения и военной техники были выделены средства на разработку европейской ИНС, основанной на применении квантовых технологий. Во Франции лаборатория «Икс Атом» планирует в краткосрочный период создать компактную инерциальную систему на базе атомного интерферометра. На современном этапе в области инерциальных навигационных систем наибольшее развитие получили квантовые технологии инерциальных датчиков, использующие волновые свойства материи и спиновые характеристики различных частиц. Измерения атомного интерферометрического датчика основаны на интерференции когерентных волн атомов, охлажденных до очень низких температур, и использовании квантового эффекта суперпозиции. Атомный интерферометр может служить гироскопом и акселерометром одновременно. В начальном периоде будет применяться гибридная ИНС, в которой используются преимущества классических и квантовых датчиков. В первую очередь, технология атомных интерферометов будет внедряться в навигационные комплексы подводных лодок и космических аппаратов.
В последнее время все бóльшее развитие получают инерциальные датчики на основе атомного чипа:
– гироскопы на базе управляемого атомного интерферометра;
– гироскопы на базе атомарно-паровой ячейки;
– инерциальные датчики на базе NV-центров*.
*Азотозамещенные вакансии (NV-центры) – монокристаллическая алмазная пластина толщиной в сотни микрометров с вкраплениями атомов азота. Датчики, использующие NV-центры в алмазе, используют неподвижные спины, закрепленные в твердой матрице. Например, вращение можно обнаружить путем измерения сдвига скорости прецессии ядерных спинов атомов азота, присущих NV-центрам в алмазе.
Атомные чипы представляют собой технологию для манипулирования холодными атомами с использованием сложной ограничивающей геометрии, которая важна для разработки компактных интерферометров на основе волн материи. Чтобы наилучшим образом использовать компактность атомных чипов, в настоящее время требуются значительные технологические усилия для интеграции лазерных источников на подложку чипа. Управляемые атомные интерферометры на атомном чипе являются перспективной технологией для создания высокоточных малогабаритных гироскопов. Внедрение данной технологии в военном деле по прогнозным оценкам возможно в период с 2035 по 2040 год.
Гироскопы ядерного магнитного резонанса (ЯМР) на атомарно-паровой ячейке основаны на прецессии атомных спинов в магнитном поле. На современном этапе развития технологии в паровых ячейках применяются атомы щелочных металлов. Преимущество данной квантовой технологии – возможность измерений при комнатной температуре. Паровые ячейки были «миниатюризированы» до небольших объемов – в несколько кубических миллиметров – и показали высокую чувствительность, усиленную квантовым «запутыванием». В 2012 году компания «Нортроп-Грумман» сообщила о создании экспериментального образца компактного ЯМР-гироскопа объемом 10 см3. Он основан на ячейках с парами щелочного металла и инертного газа, заполненных с использованием обычных методов выдувания стекла.
Необходимо отметить, что продолжаются работы по миниатюризации паровых ячеек с помощью технологии микроэлектромеханических систем. Появление ЯМР-гироскопов на атомарно-паровой ячейке в составе ИНС следует ожидать в 2028–2030 годах. Предполагается, что на этой базе атомарно-паровой ячейки они будут примерно в два раза точнее современных кольцевых лазерных и оптоволоконных гироскопов, а к 2030 году смогут превзойти их по надежности и компактности. В последние годы быстроразвивающейся квантовой технологией являются датчики на основе NV-центров. Они обеспечивают высокую чувствительность, низкую себестоимость и эксплуатацию в широком диапазоне условий. Такие приборы могут работать также при комнатной температуре и выше, а ядерные спиновые гироскопы на основе азотозамещенных вакансий в алмазе – в широком диапазоне условий окружающей среды. Применение данной технологии в инерциальных датчиках возможно после 2030–2035 годов.
Гравитационные и магнитные датчики позволяют скрытно в пассивном режиме определять свое местоположение без использования информации от космических радионавигационных систем. Для этого с помощью специальных алгоритмов проводится сравнение информации, получаемой от датчиков и с предварительно составленных карт гравитационного или магнитного полей Земли в районах проведения боевых операций. В течение многих лет Национальное управление океанических и атмосферных исследований США составляло аналогичные карты для отдельных районов Мирового океана. Возможность скрытно определять свои координаты по гравитационному полю Земли особенно актуальна для подводных лодок (ПЛ). Однако современные гравиметры и гравитационные градиентометры обладают низкой чувствительностью и недостаточной точностью, что влияет не только на определение координат, но и на точность составленных заранее карт гравитационного поля Земли с помощью датчиков. Квантовые гравиметры станут основой для безаварийной подводной навигации в каньонах, вблизи сильно изрезанного морского дна или в прибрежных районах без задействования гидролокатора, излучение которого можно легко обнаружить. В перспективе (10 лет) они будут применяться на самолетах и БПЛА для обнаружения замаскированных транспортных средств на земле, подземных сооружений, таких как тоннели, подземные бункеры и ракетные шахты. В навигационных комплексах ПЛ квантовые гравиметры и градиентометры планируется использоваться для скрытного определения своего местоположения. Предполагаемые сроки их внедрения в навигационные комплексы ПЛ – 2028–2030 годы. Применение чувствительных квантовых магнитометров в сочетании с картой магнитных аномалий Земли для определения направления движения является еще одним из способов реализации высокоточной навигации без приема сигналов КРНС для таких автономных систем, как высокоточное оружие, БПЛА и надводные автономные аппараты. Высокоточные квантовые магнитные датчики в среднесрочной перспективе будут применяться для эффективного поиска различных типов сухопутных мин, самодельных взрывных устройств, а также для обнаружения морских мин с использованием подводных аппаратов.
В настоящее время уже существует большой рынок квантовых магнитометров, созданных на различных эффектах. Однако, наибольшей чувствительностью, отвечающей требованиям высокоточной навигации, обладают магнитометры, основанные на технологиях сверхпроводящих квантовых интерференционных датчиках (СКВИД) и атомарно-паровых ячейках. Такое устройство – одно из лучших магнитометрических датчиков, однако его недостатком является необходимость использования криогенной аппаратуры. Магнитометры с атомарно-паровыми ячейками, потенциально превосходящие СКВИД, работают при комнатной температуре и имеют небольшие размеры. Достижения в области их проектирования и конструирования в настоящее время позволяют изготавливать умеренное количество магнитных приборов в масштабе микросхемы с высокой степенью однородности от датчика к датчику с точки зрения рабочей мощности и чувствительности. Квантовые магнитометры в течении 5–10 лет могут стать одним из средств ведения противолодочной войны. Магнитные градиентометры СКВИД и на атомарно-паровой ячейке, в частности, позволят обнаруживать подводную лодку на расстоянии в несколько километров, в то время как современные классические детекторы магнитных аномалий, обычно устанавливаемые на вертолете или самолете, имеют дальность действия всего в сотни метров. Большое количество дешевых малоразмерных квантовых магнитометров на основе атомарно-паровых ячеек, установленных на необитаемых автономных надводных или подводных аппаратах, смогут охватить значительные акватории для обнаружения ПЛ противника.
Квантовая связь (КС) – совокупность методов для передачи квантовой информации, то есть, информации, закодированной в квантовых состояниях, из одной пространственной точки в другую. Наиболее подходящими квантовыми системами для передачи информации на большие расстояния являются фотоны, которые позволяют кодировать информацию в частотных, фазовых, амплитудных, поляризационных и временных переменных. Системы КС передают информацию через квантовые сети, использующие волоконно-оптические или беспроводные каналы. В настоящее время волоконно-оптическими каналами являются специализированные оптические волокна с низкими потерями или современные телекоммуникационные с более высокими потерями. Беспроводной квантовый канал – более сложный из-за сильного атмосферного затухания. На больших расстояниях для КС требуются квантовые ретрансляторы. Применение квантовых технологий в системах связи (СС) для военных целей позволит получить превосходство над классическими по следующим направлениям:
– защищенность каналов передачи данных с помощью квантовой криптографии;
– скрытность передачи информации;
– неуязвимость квантовых каналов передачи квантовой информации от классических систем РЭБ.
Применение каналов квантовой связи в вооруженных силах зарубежных стран позволит скрытно в условиях применения современных средств РЭБ обмениваться информацией и распределять секретные ключи шифрования для использования в каналах обычной связи. Конфиденциальность передачи информации по каналам КС гарантирована законами квантовой механики. Квантовая криптография – это набор теоретических и экспериментальных методов, которые используют свойства квантовой механики для безопасной передачи информации. Главная ее задача – распределение секретных ключей между передающей и принимающей секретные данные сторонами. Квантовая сеть может использоваться для связи как между космическими, так и силами специальных операций, а также воздушными, морскими и наземными средствами. Сообщения, зашифрованные в квантовых состояниях систем, передаются через СС, основанную на соответствующих компонентах и обеспечивающую уровень безопасности передачи конфиденциальной информации, потенциально превосходящий уровень, которого можно достичь сейчас. Даже если квантовая сеть или ее часть будут находиться под контролем подслушивающих устройств, фундаментальные законы квантовой физики гарантируют, что любая попытка измерения извне нарушит работу квантовых систем и будет неизбежно обнаружена.
Другим подходом к обеспечению безопасности передачи информации является квантовая цифровая подпись – квантово-механический эквивалент классической цифровой подписи, которая обеспечивает защиту от подделки сообщения после того, как отправитель его подписал. Некоторые важные компоненты КС уже существуют. Развернуты волоконно-оптические каналы распределения квантовых ключей на расстояния более 100 км. Проведены успешные испытания квантовой связи через спутник. На низкой околоземной орбите КС продемонстрирована с применением китайского космического аппарата «Микиус», который в 2017 году был введен в эксплуатацию. Осуществлены успешные эксперименты по квантовой телепортации, а также проведено тестирование прототипов квантовой памяти для передачи по волоконно-оптическим каналам связи. В краткосрочной перспективе волоконно-оптические и спутниковые сети распределения квантовых ключей будут промежуточным решением и, в конечном итоге, в среднесрочной перспективе станут основой появления «квантового Интернета», включающего «Интернет вещей» (IoT – Internet of Things), а также «Интернет военных вещей» (IoMT – Internet of Military Things) со всеми транзакциями, защищенными квантовой криптографией.
Квантовые вычисления. Решение определенных видов задач на квантовом компьютере с использованием соответствующих алгоритмов позволяет достичь значительного увеличения скорости получения результатов, недостижимой для современных суперкомпьютеров. Применение квантовых вычислений в военном деле обеспечит превосходство в следующих областях:
– быстрая дешифровка с помощью квантового криптоанализа криптографических алгоритмов, применяемых в военных системах связи и не поддающихся в настоящее время дешифровке даже с помощью современных суперкомпьютеров;
– оптимизация логистики, планирования и поддержки военных операций;
– ускорение обработки разведданных;
– улучшение анализа радиочастотного спектра для систем классической РЭБ.
Чтобы взломать шифр с открытым ключом, необходим квантовый компьютер с несколькими тысячами логических кубитов*. Для этого, по оценкам 2012 года, необходимо было создать и «запутать» миллиард физических кубитов. Спустя пять лет это число снизилось до 230 млн, а в 2019-м, после ряда заметных достижений в квантовых технологиях, говорили уже о 20 млн физических кубитов. Для создания квантового компьютера могут использоваться различные физические квантовые системы. Самыми совершенными на данном этапе развития являются квантовые компьютеры, основанные на сверхпроводящих кубитах и кубитах с захваченными ионами.
*Кубит или квантовый бит – квантовый аналог классического бита. Кубит – это квантовая система с двумя состояниями, проявляющая квантовые эффекты, такие как когерентность, суперпозиция и «запутанность», и которой можно когерентно манипулировать, соединять с другими кубитами и измерять. Логический кубит – это идеальный или почти идеальный кубит с очень длительным (до бесконечности) временем когерентности, состоящий из нескольких физических кубитов и кодов исправления ошибок. Для одного логического кубита, в зависимости от алгоритма, может потребоваться до 10 000 физических кубитов.
Созданием компьютеров на сверхпроводящих кубитах занимаются американские компании: IBM, которая в конце 2023 года выпустила 1121 кубитный процессор «Quantum Condor», и компания «Гугл», заявившая о планах по разработке квантового модуля объемом 10 тыс. физических кубитов. Передовые позиции в области развития квантовых компьютеров с захваченными ионами занимает английская компания «ИонКу» (IonQ), которой принадлежит 32-кубитный квантовый компьютер. Несмотря на то что возможности существующих квантовых компьютеров далеки от уровня, необходимого для взлома современных систем шифрования, противник или иностранная разведка уже сейчас могут перехватывать и хранить зашифрованный трафик, так как, по оценкам зарубежных экспертов, время актуальности многих зашифрованных секретных документов намного превышает ожидаемые сроки появления и использования мощных квантовых компьютеров. По результатам анализа тенденций развития технологий создания квантовых компьютеров зарубежные специалисты в этой области делают вывод, что уже к 2035–2040 годам могут появиться квантовые компьютеры, способные взломать современные системы криптографии, что ознаменует крах современных систем шифрования. На основании этой информации в странах НАТО с начала 2010-х годов предпринимаются соответствующие контрмеры. Так, согласно планам США, процесс выбора и стандартизации алгоритмов, устойчивых к взлому квантовым компьютером, то есть постквантовой криптографии, должен был завершиться в 2023–2024 годах. Однако уже 5 июля 2022 года НИСТ (Национальный институт стандартов и технологий) назвал четыре варианта алгоритмов, способных противостоять квантовой угрозе, три из которых построены на основе «решетки». И уже в январе 2023 года конгресс США обязал все госслужбы перейти на методы шифрования, против которых квантовые компьютеры окажутся бессильны.
В рамках решения задач оптимизации логистики, планирования и поддержки военных операций квантовые компьютеры с помощью алгоритмов квантово-усовершенствованного машинного обучения с элементами искусственного интеллекта помогут улучшить моделирование сценариев и ускорить обработку и анализ больших данных, поступающих от средств разведки и наблюдения. Квантовые вычисления значительно расширят возможности фильтрации, декодирования, корреляции и идентификации признаков в полученных сигналах и изображениях и обеспечат качественное разрешение при распознавании образов с более высокой скоростью. Квантовая информатика, включая прогнозную аналитику и машинное обучение с элементами искусственного интеллекта, будет применяться в приложениях для расширенного принятия решений при планировании военных операций. Однако необходимо отметить, что в военном деле значительное превосходство в скорости обработки информации при применении квантовых компьютеров будет достигнуто только после внедрения в системы разведки и наблюдения квантовых датчиков определения местоположения и систем визуализации. Это позволит обрабатывать и проводить анализ непосредственно данных, а не трансформировать обычные данные в квантовые, что занимает большое количество времени и значительно снижает скорость обработки информации.
Таким образом, квантовые технологии динамично развиваются, обладают прорывным потенциалом и способны значительно повысить эффективность применения ВВТ, повлиять на способы ведения боевых действий. Ведущие зарубежные страны в интересах вооруженных сил предпринимают усилия в области развития и создания вычислительной техники, средств связи, а также различных датчиков на основе технологий, использующих квантовые эффекты.
Л. Шебалкин
Источник: журнал «Зарубежное военное обозрение» № 8 2024