Нобелевская премия 2022 года и квантовые технологии в обороне и безопасности

(Ди Антонино Ломбарди)
08/10/22

Шведская королевская академия наук награждена Ален АспектДжон Ф. Клаузер, Антон Цайлингер с Нобелевской премией по физике 2022 г. «за эксперименты с запутанными фотонами, установление нарушения неравенств Белла и новаторство в квантовой информатике».

Исследования все больше и больше продвигаются в таких областях, как квантовые компьютеры и безопасная квантово-шифрованная связь, и поворотным моментом является то, как квантовая механика1 (MQ) позволяет двум или более частицам существовать в том, что называется состоянием запутался. То, что происходит с одной из частиц в запутанной паре, определяет то, что происходит с другой частицей, даже если они находятся очень далеко друг от друга.

Квантовые технологии являются технологиями двойного назначения и как таковые представляют интерес для оборонной промышленности и безопасности, а также для военных и государственных структур. Квантовые технологии для военных приложений открывают новые возможности, повышая эффективность и точность, что приводит к «квантовой войне».2. Квантовая технология принципиально не приносит нового оружия или автономных военных систем, а, скорее, значительно улучшает возможности измерения, обнаружения, точности, вычислительной мощности и эффективности нынешних и будущих военных технологий. 

Но каковы возможные будущие применения технологий, основанных на исследованиях квантовой физики?

Не вызывает сомнений то, что полное понимание квантовой механики — не совсем простое упражнение. «Представляет значительные концептуальные и формальные препятствия и требует изменения образа мышления, воображения и рассуждений, что может быть очень утомительным».3 Хотя мы часто не осознаем этого, технологии, вытекающие из QM, находятся перед нашими глазами. Примерами первого поколения квантовых технологий являются полупроводники и транзисторы; теперь, с передовыми исследованиями по наложению ed запутанность идет второе поколение

Здесь мы попытаемся подойти к довольно сложным темам, лишив себя очарования повторения и раскрытия некоторых концепций, хотя и основных, квантовой механики и понятий высшей математики для их поддержки, надеясь преуспеть в выражении сложных концепций «простыми» словами.

Можно сказать, что квантовая механика описывает материю и излучение во всех их аспектах, в частности, что касается микроскопических явлений, т. е. происходящих в атомном масштабе. Квантовые законы не детерминированы, а вероятностны. То есть они не могут предсказать события, которые произойдут в эволюции физической системы, а только вероятности, с которыми могут произойти различные события.

Этот вероятностный подход привел к лучшему пониманию некоторых ключевых свойств квантовых частиц, лежащих в основе квантовых технологий, в частности «суперпозиции» изапутанность стимулирование развития таких технологий следующего поколения, как квантовое зондирование, квантовые вычисления и квантовые вычисления.

В контексте обороны и безопасности мы очень кратко проанализируем некоторые приложения, вытекающие из исследований, проведенных в области квантовой механики.

Квантовые датчики достигают экстремальных уровней точности, используя квантовую природу материи, используя разницу между, например, электронами в разных энергетических состояниях в качестве базовой единицы. Их можно было бы использовать для обнаружения подводных лодок и самолетов. хитрость а также для обеспечения навигации без необходимости использования внешних ссылок, таких как GPS, с использованием квантовых устройств PNT (устройства позиционирования, навигации и синхронизации).

Квантовые технологии могут улучшить i системы позиционирования, навигации и синхронизации (ПНТ), в частности инерциальная навигация. Квантовое преимущество проявится в операционных средах GPS, позволяя выполнять точные операции.

Текущая GNSS (Глобальная навигационная спутниковая система) основана на точном времени, обеспечиваемом несколькими атомными часами на отдельных спутниках, которые корректируются самыми стабильными атомными часами на Земле. Повышенная точность квантовых часов также повысит точность позиционирования и навигации. Технология GNSS подлежит заклинивание а в подземных или подводных условиях он вообще недоступен. Решение есть инерциальная навигация. Проблемой классической инерциальной навигации является потеря точности со временем (дрейф 1,8 км/сутки для кораблей и подводных лодок и 1,5 км/час для военных самолетов). Для современной армии, чтобы улучшить боевые действия, крайне важно иметь как можно более точные измерения. В квантовой подводной войне подводные лодки могут быть первыми, кто применит квантовую инерциальную навигацию, используя квантовые магнитометры в качестве основного инструмента для обнаружения подводных лодок или подводных мин с применением квантового фотодетектора, радара, лидара или обнаружения на основе гравитации.

Еще одно поле —визуализации квант, который предлагает такие приложения, как квантовый радар, который можно использовать для космическая война. Теоретические преимущества и характеристики квантового радара заключаются в большей стойкости заклинивание и другие средства противодействия РЭБ; мощность выходного сигнала настолько мала, что он будет невидим для средств радиоэлектронной борьбы. Помимо высокой стоимости, остается скептицизм в отношении скрытного обнаружения целей или помехоустойчивости..

Другие приложения в отрасли связаны с квантовым лидаром, который использует оптические или квазиоптические фотоны и может использоваться для освещения целей на коротких дистанциях с помощью работающего радара наблюдения против дронов или как часть комплекса. ПВО ближнего действия.

Квантовые вычисления несут с собой так называемую «квантовую угрозу», и, как известно военным, безопасность связи и информации имеет первостепенное значение. Лауреат Нобелевской премии Цайлингер продемонстрировал феномен, названный квантовая телепортация что эффективно позволяет передавать информацию на расстоянии.

В классической информатике элементарный вектор информации — это бит, который может быть только 0 или 1. Элементарный вектор квантовой информации — это квантовый бит, кубит. Кубит может быть | 0⟩ | 0⟩ или | 1⟩ | 1⟩4, или произвольная комплексная линейная комбинация состояний | 0⟩ | 0⟩ и | 1⟩ | 1° называется квантовой суперпозицией. Другим важным свойством являетсяквантовая запутанность. Это относится к сильной корреляции между двумя или более кубитами.

В то время как классические компьютеры выполняют вычисления с использованием двоичных цифр (0 или 1), квантовые компьютеры представляют информацию с помощью кубитов, которые могут находиться в обоих состояниях одновременно, а также могут влиять друг на друга, даже если они физически не связаны. Другие отличия - компакт-диск интерференция то есть возможность кубитов быть запутанный которые должны быть переплетены друг с другом, что приводит к тесной корреляции между ними.

L'запутанность совместное использование в глобальном масштабе позволит квантовым компьютерам работать вместе для решения сложных проблем, недоступных для современных суперкомпьютеров.

Как уже упоминалось, Цайлингер продемонстрировал телепортацию состояния отдельных кубитов, а также показал, как общая запутанность может быть преобразована в общие секретные ключи, которые позволили бы обеспечить безопасную связь, обещания безопасности которой вытекают из того факта, что законы квантовой физики верны. Квантовые компьютеры, способные одновременно выполнять значительный объем вычислений, могут иметь такие приложения, как «факторизация целых чисел, что позволяет расшифровывать наиболее часто используемые протоколы ИТ-безопасности». Квантовые сети «Они обещают безопасный по своей сути механизм связи, который обеспечит безопасную передачу информации даже при атаке противников с помощью квантовых компьютеров».

Первое применение квантовой связи называется Распределение квантовых ключей (QKD), которая использует квантовые частицы для обмена криптографическими ключами. В QKD фактические данные передаются по традиционной коммуникационной инфраструктуре с использованием обычных битов, однако криптографические ключи, необходимые для расшифровки данных, передаются отдельно с использованием квантовых частиц. Для защиты эта технология будет интересна, когда станет возможной дальняя связь с использованием MDI-QKD или квантовых повторителей. В настоящее время существует базовая коммерческая технология, в которой используются надежные повторители. Помимо QKD, квантовая сеть может использоваться для защищенной квантовой прямой связи (QSDC) между космосом, силами специального назначения, флотом и наземными ресурсами. 

Другим приложением является квантовая криптография основанный на местоположении, который может обеспечить более безопасную связь, когда доступ к информации будет доступен только из определенного географического местоположения, например, связь с военными спутниками только с определенных военных баз.

Военные технологии предъявляют более высокие требования, чем промышленные или общественные. Квантовые технологии могут повлиять на все области современной войны. Вторая квантовая революция повысит чувствительность и эффективность, представит новые возможности и усовершенствует современные методы ведения войны, а не приведет к появлению новых видов оружия. Не будем забывать, что многие приложения носят скорее теоретический, чем реалистичный характер, и лабораторные достижения не всегда с таким же успехом выводятся за их пределы.

1 Квантовая война — это война, в которой квантовые технологии используются для военных приложений, влияющих на возможности разведки, безопасности и обороны во всех областях ведения войны, и вводит новые военные стратегии, доктрины, сценарии и мир, а также этические вопросы.

2 ди-джей Гриффитс «Введение в квантовую механику"; Г. Нардулли «Квантовая механика тт. 1 - 2"

3 У. Бессон «Дидактика физики»

4 Обозначения Бракета или формализм Дирака.

@ Все права защищены

оборона рейнметалла