Квантовые технологии в военном деле

Квантовые технологии — прикладная область науки и техники, которая использует уникальные законы квантовой механики для создания устройств и систем, превосходящих по своим возможностям классические технологии^[2].

Кубит — основа информации, это и 0, и 1 одновременно с определённой вероятностью (это называется суперпозиция), частица может быть здесь и там сразу, пока её не измерили. Измерение разрушает квантовое состояние, наблюдая за частицей, мы заставляем её «выбрать» одно состояние.

Логический кубит — 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.

Квантовая система — система, физические свойства которой характеризуются квантами (неделимая часть какой-либо величины) энергии, момента количества движения (углового момента), его проекции и других величин.

Квантовые технологии базируются на ряде ключевых принципов, определяющих их уникальные возможности^[3]:

• квантовая суперпозиция — позволяет квантовой системе, такой как кубит, существовать в нескольких состояниях одновременно до проведения измерения;
• квантовая запутанность — представляет собой феномен, где две или больше квантовые частицы образуют взаимосвязанную систему, чьи характеристики остаются зависимыми, независимо от расстояния между ними;
• квантовое туннелирование — демонстрирует способность квантовых частиц проникать сквозь энергетические барьеры, которые были бы непреодолимыми согласно классической физике;
• квантовая когерентность — обозначает способность квантовой системы сохранять своё квантовое состояние в течение определённого времени;
• принцип неопределённости Гейзенберга — устанавливает фундаментальное ограничение на точность одновременного измерения определённых пар взаимосвязанных физических величин;
• квантовая телепортация — представляет собой процесс передачи квантового состояния от одной частицы к другой на любое расстояние, при этом физический перенос самой частицы не осуществляется;
• квантовая интерференция — проявляется в том, что волны вероятности, описывающие квантовые состояния, могут конструктивно или деструктивно взаимодействовать, усиливая или ослабляя друг друга.

Ридберговские атомы (названы в честь Й. Р. Ридберга) — водородоподобные атомы и атомы щелочных металлов, у которых внешний электрон находится в высоковозбуждённом состоянии.

Азотозамещенные вакансии (NV-центры) — монокристаллическая алмазная пластина толщиной в сотни микрометров с вкраплениями атомов азота.

Ведущие западные страны активно инвестируют в развитие квантовых технологий для военных и экономических целей^[4].

В 2018 году в США принят закон «О национальной квантовой инициативе», ежегодное финансирование составляет около $820 млн.

В 2023 году в Великобритании принята «Национальная стратегия развития квантовых технологий» с планируемыми инвестициями в £2.5 млрд до 2033 года.

Европейский союз финансирует разработки в рамках программ создания высокотехнологичных образцов вооружений и военной техники, включая инерциальные навигационные системы на квантовых технологиях.

Во Франции создана лаборатория «Икс Атом», которая по состоянию на 2025 год работает над созданием компактной инерциальной системы на базе атомного интерферометра.

В сфере разработки квантовых компьютеров, использующих сверхпроводящие кубиты, лидируют американские корпорации. Компания IBM в конце 2023 года представила процессор «Quantum Condor» с впечатляющим количеством в 1121 кубит. Параллельно с этим, «Гугл» анонсировала амбициозные планы по созданию квантового модуля, включающего ориентировочно 10 000 физических кубитов. В области квантовых вычислений с применением захваченных ионов, передовые позиции занимает британская фирма «ИонКу» (IonQ). В активе этой компании находится квантовый компьютер, оперирующий 32 кубитами.

В июле 2022 года Национальный институт стандартов и технологий (НИСТ) представил четыре алгоритма, предназначенных для защиты от квантовых атак, три из которых основаны на «решётках».

В январе 2023 года Конгресс США принял закон, обязывающий все государственные учреждения перейти на криптографические методы, которые не подвержены взлому квантовыми компьютерами.

Анализ прогресса в разработке квантовых вычислений, проведённый зарубежными экспертами, позволяет предположить, что в период с 2035 по 2040 годы возможно создание квантовых компьютеров, обладающих достаточной мощностью для взлома существующих криптографических протоколов, это приведёт к уязвимости широко используемых методов шифрования. В связи с этой потенциальной угрозой государства-участники НАТО с начала 2010-х годов начали разработку и внедрение защитных мер, в частности, в США в 2023—2024 годах был завершён отбор и стандартизация алгоритмов постквантовой криптографии, устойчивых к атакам квантовых компьютеров.

Области применения в военном деле^[1]:

• навигация — системы навигации, основанные на новых принципах, повышение точности и чувствительности, точность на порядок превосходящие существующие (глобальные навигационные спутниковые системы);
• защита каналов связи — принципиально новый уровень защищённости, создание каналов связи, защищённых законами физики, а не вычислительной сложностью математических алгоритмов;
• вычислительные возможности — значительный росте вычислительной мощности, решение задач оптимизации, криптоанализа и моделирования (недоступных для классических суперкомпьютеров);
• разведка — реализация технологий гравитационной и магнитной разведки, обнаружения целей, возможность получать информацию без обнаружения средствами обнаружения противника.

Ключевая цель внедрения квантовых технологий в военной сфере — сокращение цикла управления по принятию решений «обнаружение — оценка обстановки — принятие решения — поражение», что обеспечит получение решающего информационного и технологического превосходства на всех уровнях ведения современных и будущих войн.

Квантовые технологии не создают новые виды оружия, но на порядки повышают точность, скорость, скрытность измерений, обработку информации и вычислений в существующих системах управления и значительно увеличивают эффективность существующих и перспективных образцов вооружений.

Основные направления практической реализации^[1]:

• Квантовые датчики — обладают сверхвысокой чувствительностью, превосходящей классические аналоги на порядки:
  • квантовые датчики визуализации и РЧ-антенны, квантовые лидары в радиолокационных станциях, повышают разрешающую способность и контрастность, позволяют противодействовать средствам маскировки (лидары с дальностью 10-45 км ожидаются к 2030—2035 годам, создание дальней квантовой радиолокационной станции (более 100 км) ожидаются к 2030—2035 годам);
  • квантовые дальномеры — не обнаруживаются противником;
  • квантовые камеры — обеспечивают быстрое получение 3D-изображения с низким уровнем шума;
  • квантовые РЧ-антенны на атомах Ридберга, имеют микрометровые размеры и программируемую чувствительность в широком диапазоне частот, перспективны для связи с низкой вероятностью обнаружения и загоризонтной радиосвязи (уровень высокой готовности, реализуется ДАРПА США по программе «Квантовые апертуры»);
  • квантовые инерциальные навигационные системы, позволяют создавать навигационные комплексы, сохраняющие высокую точность (сопоставимую с глобальными навигационными спутниковыми системами GPS/ГЛОНАСС) в течение длительного времени (дни/месяцы) в условиях подавления или отсутствия сигналов глобальных навигационных спутниковых системам), сроки внедрения в навигационные системы подводных лодок — к 2030 году, в высокоточное оружие — в 2030—2035 годах;
  • атомные интерферометры (гироскопы и акселерометры), гироскопы ядерного магнитного резонанса на паровых ячейках (ожидаются к 2028—2030 годам, в два раза точнее современных), датчики на основе NV-центров в алмазе (после 2035 года).
• Квантовые гравитационные и магнитные датчики, позволяют скрытно определять местоположение путём сравнения данных датчиков с заранее составленными картами гравитационного/магнитного полей Земли:
  • применение для подводных лодок (скрытная навигация в каньонах и у берега без использования гидролокатора, сроки внедрения — 2028—2030 годы);
  • применение для обнаружения замаскированных объектов, подземных сооружений, мин и самодельных взрывных устройств.
• Магнитометры, на основе сверхпроводящих квантовых интерференционных датчиков и атомарно-паровых ячеек (ожидаются к 2030—2035 годам, могут использоваться для обнаружения подводных лодок на расстоянии в несколько километров (против сотен метров у современных детекторов).
• Квантовая связь и криптография:
  • квантовая криптография — обеспечивает безопасную передачу информации и распределение криптографических ключей, безопасность гарантируется законами квантовой механики, любая попытка перехвата будет обнаружена;
  • для практической реализации развёрнуты волоконно-оптические каналы распределения ключей (>100 км), успешные испытания через спутник (китайский «Мо-Цзы»). В перспективе — основа «квантового интернета» и «интернета военных вещей» (IoMT). Военное применение — скрытный обмен информацией и ключами шифрования в условиях противодействия радиоэлектронной борьбы.
• Квантовые вычисления — значительное увеличение скорости обработки информации для решения специфических задач (квантовое ускорение), недостижимое для классических суперкомпьютеров.
• Военное применение — квантовый криптоанализ, взлом современных криптографических алгоритмов (ожидается, что к 2035—2040 годам появятся квантовые компьютеры, способные на это. США и НАТО уже разрабатывают и внедряют постквантовую криптографию.
• Оптимизация логистики и планирования операций — ускоренная обработка разведданных, анализ радиочастотного спектра для радиоэлектронной борьбы. Для взлома шифров требуется квантовый компьютер с тысячами логических кубитов, что эквивалентно миллионам физических.

Благодаря квантовым технологиям в военном деле, управляемые ракеты, реактивные снаряды и беспилотные системы получают возможность нанесения высокоточных ударов по удалённым объектам. Это достигается даже в условиях активного радиоэлектронного подавления или преднамеренного искажения навигационных сигналов противником.

Усовершенствованные системы наведения позволяют преодолевать помехи, создаваемые средствами радиоэлектронной борьбы. Таким образом, повышается эффективность применения высокоточного оружия в сложной оперативной обстановке.

Данные улучшения гарантируют поражение намеченных целей, несмотря на противодействие средств радиоэлектронной борьбы. Это значительно расширяет возможности современных вооружений в условиях современной войны.

Квантовые технологии динамично развиваются и обладают огромным потенциалом для кардинального повышения эффективности вооружения и военной техники и изменения способов ведения войны. Ведущие зарубежные страны (США, Великобритания, ЕС) предпринимают значительные усилия по развитию и созданию вычислительной техники, средств связи и различных датчиков на основе квантовых эффектов. Внедрение этих технологий в вооружённые силы носит долгосрочный характер с конкретными прогнозируемыми сроками появления опытных образцов и серийных систем (2030—2040-е годы). Основные ожидаемые прорывы связаны с обеспечением автономной высокоточной навигации, скрытного обнаружения целей, защищённой связи и сверхбыстрой обработки информации^[1].