Статья: Научные и технологические тренды: 2020–2040 гг.: перспективы научно-технического развития (доклад организации НАТО по науке и технологиям, 2020 г.)

4. Автономное поведение: крупномасштабное роение, улучшенный встроенный ИИ, точная навигация и цифровое управление.

История автономных систем в обороне восходит, по крайней мере, к 1998 году, когда Никола Тесла продемонстрировал беспроводную дистанционно управляемую беспилотную лодку. Однако за последние 20 лет произошел значительный рывок в использовании автономии в широком спектре физических и виртуальных сред. Разведка, наблюдение, системы наведения и высокоточные ударные платформы становятся все более распространенными в военных операциях. Конечная цель всегда состояла в том, чтобы объединить человека и автономную систему в единую команду, позволяющую автоматизированной системе брать на себя рутинные, грязные, опасные и дорогие задачи. Это позволит снижать затраты, сокращать численность персонала, повышать эффективность и сокращать потери.

Подходы к автономии могут варьировать от полностью автономных до полуавтономных систем. Конкретные уровни автономии зависят от датчиков, типа миссии, каналов связи, бортовой обработки данных и правовых/политических ограничений. Создание автономных систем военного назначения значительно расширит возможности НАТО в условиях, когда каждый солдат действует как рота, корабль - как оперативная группа, а самолет - как эскадрилья. Однако, правовые, политические рамки и вопросы эксплуатации будут препятствовать использованию автономных систем в качестве оружия уничтожения живой силы противника. Тем не менее, учитывая оперативные преимущества как для НАТО, так и для потенциальных противников, нет никаких сомнений в том, что использование автономных систем значительно усилит, поставит под угрозу и обеспечит оперативный потенциал в течение следующих 20 лет.

В таблице 3. представлены области перспективных исследований автономных систем, оценка их потенциального воздействия на сферу обороны и безопасности, технологический уровень и ожидаемые сроки массового распространения.

Таблица 3 Области перспективных исследований автономных систем

4. Квантовые технологии

Квантовые технологии нового поколения используют квантовую физику и связанные с ней явления на атомном и субатомном уровнях. Эти технологии используются в области криптографии, вычислений, точной навигации и синхронизации, зондирования и визуализации, связи и в разработке новых материалов.

Рисунок 1. Прогнозируемые сроки развития квантовых технологий [Figure D.1, p. 70].

Квантовые технологии нового поколения развиваются феноменальными темпами, но в основном обусловлены коммерческими интересами, в сфере же обороны и безопасности четыре ключевых направления (связь; вычислительная техника; позиционирование, навигация и синхронизация; и зондирование) развиваются неравномерно. Требуется активное международное сотрудничество, при этом временной горизонт развития квантовых технологий нового поколения - более 20 лет.

Современные военные системы основаны на использовании классической, статистической, квантовой и релятивистской физики. В частности, первая квантовая революция заложила основы для транзисторов, компьютерных чипов, лазеров, магнитно-резонансной томографии и современных технологий связи.

В настоящее время появляется второе поколение квантовых технологий, способных создавать и использовать более сложные и тонкие аспекты квантовой физики. Ожидается, что влияние этой новой технологии, иногда называемой второй квантовой революцией, будет глубоким и всеобъемлющим благодаря сложному взаимодействию автономии, передового производства, материаловедения, накопления энергии и квантовых технологий нового поколения.

Рисунок 2. Потенциал использования квантовых технологий для сил Альянса [Figure D.2, p. 71].

4.1 Возможности использования квантовых технологий для вооруженных сил Альянса

Квантовые компьютеры на порядок повысят вычислительные возможности, которые будут выходить за теоретические пределы классических компьютеров для конкретных классов аналитических задач (например, оптимизации и моделирования). Это позволит использовать очень сложные подходы к шифрованию и дешифрованию кодов, что сделает существующие криптографические методы устаревшими. Сложные и быстрые моделирование и имитация позволят принимать сложные операционные и организационные решения. Появятся новые способы разработки до сих пор неизвестных материалов и биотехнологий, а также ИИ следующего поколения (например, квантовые нейронные сети).

Квантовые датчики будут во много раз более чувствительными, чем современные системы. Это будет способствовать развитию противорадиолокационных и скрытых радаров; магнитных, акустических и гравитационных датчиков со значительно возросшими возможностями противоракетной обороны; а также поддерживать разработку маломощных высокочувствительных бортовых и дистанционных датчиков.

С помощью квантовых технологий будут созданы высокоточные приборы (например, часы), которые позволят осуществлять операции в условиях отказа GPS или в сложных условиях (например, при длительных подводных автономных операциях подо льдом).

Развитие криптографии и способности расшифровывать закодированные сообщения с использованием современных криптографических методов окажет революционное воздействие на современные системы связи.

4.2 Риски для вооруженных сил Альянса

В период 2020-2040 годов основная угроза исходит от ближайших конкурентов, особенно с учетом высокого уровня математической сложности и необходимых инвестиций в НИОКР. Угрозу безопасности несут новые методы шифрования, возможная потеря воздушной и подводной скрытности, а также возможного преимущества противника в создании аналитических систем для поддержки принятия решений, обеспечиваемых квантовыми вычислениями.

Проблемы функциональной совместимости квантовых технологий

Использование квантовых технологий следующего поколения будет сопряжено со значительными проблемами интероперабельности, обусловленными главным образом различиями в темпах инвестиций и, учитывая потенциально значительные улучшения в области зондирования и связи, соображениями национальной безопасности.

4.3 Перспективы развития квантовых технологий

Следует отметить следующие направления исследований в области обороны и безопасности:

1. Зондирование: уровень развития квантовых технологий зондирования пока достаточно невысокий, однако, некоторые из содействующих этому технологий развиваются довольно быстро и могут быть доступны в среднесрочной перспективе для решения проблем сбора данных. Усовершенствованные датчики могут быть использованы для построения геореферентных карт гравитационных и магнитных аномалий по всему миру. Краткосрочные целевые инвестиции в гравитационные и магнитные датчики на базе квантовых технологий могут дать новые военные возможности для обследования туннелей, обнаружения магнитных аномалий и электромагнитного зондирования. В среднесрочной перспективе улучшенные квантовые датчики позволят использовать эти возможности в более сложных условиях проведения военных действий, например, в космосе. В долгосрочной перспективе использование распределенных сетей может сделать распределенные датчики в тысячи раз более точными, чем это доступно в настоящее время.

2. Позиционирование, навигация и синхронизация: существует два принципиально различных подхода: один включает передачу и прием внешних сигналов, таких как GPS, а другой опирается на автономное восприятие движения, например, обеспечиваемое инерциальными системами. Ожидается, что квантовые технологии будут поддерживать сочетание сверхточных измерений времени со сверхточными измерениями ускорения и углового вращения, чтобы обеспечить сверхточную инерциальную навигацию и синхронизацию. Эти технологии на первом этапе будут внедряться через стоечные блоки (размером с настольный компьютер), пригодные для эксплуатации на более крупных мобильных военных системах, например на кораблях. При постоянных инвестициях в среднесрочной и долгосрочной перспективе ожидается, что системы уменьшатся в размерах, весе, мощности и стоимости и в конечном итоге обеспечат улучшенную навигацию, при значительно меньшей зависимости от внешних устройств.

3. Квантовое дистанционное зондирование: квантовое дистанционное зондирование, такое как квантовый радар, обладает потенциалом сделать стелс-технологии устаревшими, обеспечить более точную идентификацию целей и скрытое обнаружение и наблюдение. Квантовые датчики позволят проводить гораздо более точные и чувствительные измерения и использовать гораздо меньшую мощность для обнаружения и отслеживания небольших, незаметных целей.

4. Магнитное и гравитационное зондирование: точное измерение магнитного поля используется морскими патрульными самолетами для локализации подводных лодок с использованием датчиков магнитных аномалий. Современные датчики не подходят для использования на небольших беспилотных летательных аппаратах из-за ограничений по размеру, весу и мощности, но новые квантовые технологии могут обеспечить решение этой проблемы. Существуют также специальные технологии гравитационного зондирования, которые могут быть использованы, например, для обнаружения подземных сооружений (туннелей, бункеров) с летательных аппаратов.

5. Квантовые вычисления: исследования в области квантовых вычислений ведутся преимущественно в коммерческих интересах. В то время как специальные квантовые вычислительные устройства могут быть доступны в среднесрочной перспективе, разработка подлинного универсального квантового компьютера общего назначения, применимого к проблемам НАТО, вероятно, еще далека от того, чтобы быть доступной (временной горизонт в 15-50 лет). В среднесрочной перспективе разработка новых квантово-оптимизированных алгоритмов возможна только для ограниченных задач Аналитики больших данных.

6. Квантовая связь: это важная область исследований, которой движут как коммерческие интересы, так и интересы разведки. В краткосрочной перспективе с помощью квантовых технологий можно будет обнаруживать подслушивающее устройство на канале связи. Дальнейшее развитие квантового распределения ключей и квантового шифрования обеспечит Альянс превосходными возможностями шифрования. В среднесрочной перспективе инвестиции должны быть сосредоточены на оптической квантовой связи для защиты от подслушивания и в качестве защиты от помех. В долгосрочной перспективе следует разработать глобальную распределенную квантовую систему для поддержки защищенной связи.

7. Материалы: квантовое моделирование позволит прогнозировать характеристики материалов, что можно использовать для проектирования новых материалов с определенными желательными физическими свойствами, такими как сверхтвердая броня, сверхпроводимость, устойчивость к высоким температурам и т. д.

Квантовые явления лежат в основе многих современных технологий, включая транзисторы, ядерную энергию, электронные микроскопы, сверхпроводимость, фотоэлектрические детекторы, медицинскую визуализацию, лазеры и твердотельные устройства. В последние десять лет квантовые технологии использовались для разработки перспективных технологий. Эти разработки следующего поколения включают в себя: сверхчувствительные датчики; невероятно точные часы; невзламываемое шифрование и связь; и квантовые вычисления.

Хотя новые квантовые технологии обладают потенциалом революционного воздействия на операции НАТО, большинство из них находятся на ранних стадиях развития, и перед разработкой оперативных систем стоят серьезные технические задачи. Горизонт развития квантовых вычислений - 15-20 лет, хотя реализация их в бизнесе без должной научной проработки возможна уже через 5-10 лет.

Использование сверхчувствительных гравиметрических, магнитных или акустических датчиков значительно повысит эффективность подводных боевых средств, потенциально делая океаны прозрачными. Квантовый радар обеспечит более точную идентификацию целей и скрытое обнаружение и наблюдение. Точные часы позволят разработать системы позиционирования, навигации и хронометража для использования в труднодоступных районах (например, подо льдом). Невзламываемое шифрование будет поддерживать существенно более надежную и безопасную связь. Квантовые вычисления - потенциально наиболее прорывная квантовая технология из всех - позволит решить многие задачи в сфере Аналитики больших данных, ИИ и моделирования. Достигнутое с помощью этой технологии преимущество потенциально может значительно повысить эффективность принятия решений и оперативную эффективность сил НАТО, а также создать принципиально новые методы шифрования.

Для развития технологии необходимо добиться интероперабельности, обеспечить стандартизацию квантового шифрования и протоколов связи.

В таблице 4. представлены области перспективных исследований квантовых технологий, оценка их потенциального воздействия на сферу обороны и безопасности, технологический уровень и ожидаемые сроки массового распространения.

Таблица 4 Области перспективных исследований квантовых технологий