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本文論述了生物技術、小型衛星、量子計算機和認知增強的安全問題。
本文節選自專著《Technology and National Security: Maintaining America's Edge》，The Aspen Institute ，2019年1月31日。文章題目《Four Emerging Technologies and National Security》。本文討論了四種新興技術：生物技術、小型衛星、量子計算機和認知增強，並簡要介紹這四種技術及其對美國國家安全的影響，最後提出應對建議。
編譯：學術plus高級評論員 計宏亮
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生物技術
Biotechnology
生物技術的四次飛躍發展
20世紀50年代，生物遺傳機制被鑑定為由有機體讀取和寫入的核酸序列作為自動收錄帶。
20世紀90年代，開發了用於大規模讀取這些序列的實用方法。閱讀第一個人類基因組序列於2003年完成，耗資超過20億美元。如今，對人類基因組進行測序的成本不到10,000美元 - 15年內減少了200,000倍。
過去15年，編寫序列的成本降低了1,000倍。這些進展使得可以插入現有生物體的單個基因的合成以及微生物的全基因組的合成變得切實可行。
2010年初，開發使用CRISPR/Cas9系統編輯基因組經濟而有效的工具。利用這些工具，生物技術可用於創建微生物工廠，以便大量生產小東西。人們可以指導工廠生產有益的東西，如藥品、燃料、食品、紡織品和催化劑。或者可以指示工廠生產破壞性的東西，如病毒和毒素。
生物學的殺傷力
即使沒有人類創造力的應用，生物學也是對國家安全的最嚴重威脅。1918年，一種流感病毒在12個月內造成超過五千萬人死亡，是人類歷史上最嚴重的生命損失。安東尼和查士丁尼瘟疫、黑死病和Cocoliztli流行病也比現代戰爭更具殺傷力。
生物學的巨大殺傷力源自其兩個屬性：
- 首先是自我複製，通過這種自我複製，小型武器庫可以有效地變成一個大型武器庫。（除了生物武器之外，唯一可以自我複製的其他類武器是網絡武器）。
- 第二個特性是自然選擇，通過這種選擇，隨著時間的推移，對生物體有利的隨機性狀將變得更加普遍。生物技術允許通過修改這兩個屬性實現人類目標。
例如，一種被稱為“基因驅動”的生物技術允許人類工程師確保特徵在物種內普遍存在，即使該特徵對生物體是不利的。（基因驅動的仁慈應用是設計無法傳播瘧疾的蚊子。惡意應用是設計無法授粉以破壞農業關鍵部分的蜜蜂）。另一類生物技術，即“功能獲取”，使用人工選擇超出了自然發生的速度來擴大有機體特徵，如致死率或傳染性。
儘管存在安全問題，但功能研究的收益也是人所共知的。一方面，這種研究的結果可以用來開發先進的生物武器。另一方面，結果可用於評估風險和發展更好的防禦。如果生物學具有實質性的進攻優勢，那麼公開的好處是有限的 - 如果在邊緣，進攻比防守更有效。
例如，2016年，使用市面上的設備和材料以100,000美元合成了天花病毒的近親。與此同時，一種新的防禦性疫苗開發成本超過10億美元。與防禦相比，進攻具有10,000倍的成本優勢，並且隨著時間的推移，其優勢將不斷增加。即使有效地發佈醫療對策，在美國發布的痘病毒也可能導致數百萬美國人死亡。
因此可以說，我們生活在一個脆弱的世界中，在這個世界中，一個高明覆雜的反叛者能夠殺死數百萬人。
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小衛星
Small Satellites
對於國家安全而言，太空起著兩個關鍵作用：（1）武器轉送，如洲際彈道導彈，（2）衛星的觀察和通信。
1945年，當克拉克（Arthur C. Clarke）首次提出通信衛星時，他認為太空是最終的高地——即從軌道上的位置來看，地球上許多點都在衛星的可視範圍，從一個位置接收信號並將它們傳輸到其他任何地方。從克拉克的提出這一概念，直到第一顆衛星發射，用了12年的時間，而現在有數千顆衛星用於發送和接收通信，實現授時和導航，並拍攝地球表面。
將物體運送到太空十分昂貴。在過去六十年中，發射入低地球軌道（LEO）的成本相對穩定，大約為每公斤10,000美元。一些新技術，例如可重複使用的助推器，可能會將成本降低10％至50％，但由於重力的不便，成本仍居高不下。
有效載荷的小型化趨勢。在過去的六十年中，每單位性能的微電子重量減少了約一百萬。小型化大大增加了給定尺寸的衛星的處理能力，其中立方體小衛星的標準尺寸為10×10×10cm的倍數。儘管如此，小型化還是有限的，特別是涉及孔徑和天線的衛星部分，其尺寸具有物理定律所規定的下限。雖然孔徑和天線的尺寸可以保持不變，但是通過在軌維修，組裝和製造（OSAM）方法可以大大降低其成本，這些方法將不太脆弱，零件和原材料的有效載荷轉換成大型複雜結構。未來OSAM的自動化以及將原材料快速發射到軌道，可以創造一個強大的空間基礎設施。
商業衛星以及空間的民主化意味著富裕國家不再壟斷地球表面的詳細圖像。因此，大國在國家情報的一個重要方面失去了優勢。空間的民主化也導致越來越多的活躍航天器和軌道上的非活動物體（例如火箭體）。目前僅在LEO中大約有16,000個物體，大小超過10釐米。這個數字可能在未來十年內翻一番，必將增加碰撞的可能性，並使空間交通管理複雜化。還好，太空很大——地球靜止軌道的體積大約是地球海洋體積的10萬倍。但追蹤太空中的物體，特別是外國軍事和情報航天器，仍將是國家安全的首要任務。
太空基礎設施非常脆弱。衛星很脆弱——雖然對重量和體積進行了優化，但仍然難以裝備，並且容易受到碰撞、導彈、激光、無線電干擾和太空天氣的破壞。由於衛星的固有成本和交付成本，衛星的更換成本也很高。保護這些系統，尋找快速替換它們的方法，以及開發不依賴於空間的冗餘服務都是困難的國家安全問題。美國比其他國家更依賴太空，但隨著越來越多的國家推出自己的通信和GPS系統，使自己的基礎設施面臨風險，這種差距正在縮小。
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量子計算機
Quantum Computers
量子計算機利用兩種量子現象：疊加，量子位（量子位）同時保持多於一種狀態的能力，以及糾纏，即兩個或更多量子位在距離上共享其狀態的能力。
在20世紀80年代早期，物理學家假設顯示這兩種現象的計算機可能非常適合某些類型的計算，例如量子行為的模擬。目前還不清楚這種機器是否可以安全應用，直到1994年彼得肖爾（Peter Shor）發現一臺大型量子計算機應該能夠有效地計算大數。目前大多數加密方法，包括用於保護軍事通信和在線金融交易的許多加密方法，都取決於分解的難度。如果分解變得容易，則許多現有的加密技術不再安全。
量子計算的進展一直很困難。雖然在理論、材料和測量方面取得了實質性進展，但自2001年以來，量子計算機的規模從7個增加到僅有72個物理量子位。有用的量子計算機需要幾千個量子比特，並且每次添加都會增加糾錯的難度。迄今為止，還沒有創建可用作這種計算機的構建塊的單個邏輯量子位。相反，在創建抵抗量子攻擊的新加密方法方面進展更快。現在存在幾種這樣的方法，儘管它們在計算上比傳統加密效率低。
密碼分析被認為是對國家安全最重要的量子計算應用，但還有其他潛在的應用。這些包括模擬分子以設計化學品或催化劑並解決硬優化問題，例如用於物流、調度和機器學習的問題。量子計算機尚未進行有用的計算，否則經典計算機無法以較低的成本執行。然而，在某些時候，研究人員很可能實現這一里程碑，有時被稱為“量子至上”。
如果目前的趨勢繼續下去，在廣泛部署量子抗性加密之後，可能會大規模引入量子計算機。如果是這樣，計算機的主要情報價值將是解密歷史數據。最受益的國家是那些長期存儲被截獲的外國通信的國家。根據政策，美國將大部分SIGINT的保留限制為五年，這使人們懷疑大規模量子計算對美國密碼分析的相對價值。儘管如此，重要的是美國不要對量子計算的發展感到驚訝，部分原因是因為進展速度將告知我們自己部署量子抗性加密方法的時間表。由於這些方法需要計算成本，我們需要決定投資他們的改進時間以及何時根據需要簡單地接受成本。
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Cognitive Enhancement
在未來，人類可能成為更好的發明者。科學方法、科學儀器、同行評審、計算機和專利系統都是用於對發明的基礎設施增強的方法。如果人類智能本身得到增強，那麼發明的速度可能會大大增加。
認知增強的潛在途徑可以分為三類：裝置、藥物和基因。由於非致命性戰鬥傷害增加後的軍事研究，將腦組織連接到外部裝置（例如假肢）的裝置變得越來越複雜。一些初創公司現在正在探索是否可以使用這種神經接口將處理和記憶任務直接從大腦卸載到外圍設備。
神經認知條件藥物的可用性（例如注意力缺陷障礙，發作性睡病和痴呆）增加在健康成年人中形成了一種亞文化，這些成年人消費這些藥物以增強認知。目前尚不清楚其中任何一種是否有效，因為很少有證據表明這些藥物比咖啡因或尼古丁更能提高健康成人的認知能力。儘管如此，未來的發現可能會帶來認知上的提升。
最後一類認知增強可能是最有效和最有爭議的。DNA測序成本的降低使得人類智能的大型基因組研究成為可能，其中認知能力的某些變化可歸因於基因。中國的認知基因組學項目就是這樣一項研究，調查表明，如果有這樣的服務，大多數中國父母會選擇使用基因分型服務來選擇更聰明的孩子。調查顯示，美國和歐洲的父母更不願意使用這些服務。如果這些調查具有代表性，那麼技術採用率可能會受到文化態度差異的嚴重影響。由於發明率是國家權力的主要決定因素，任何影響發明率的“認知軍備競賽”都可能產生重要的地緣政治和經濟後果。
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如何應對？
應對？
政府在應對這四項技術方面面臨著許多安全挑戰，以及將在後文提到第五項技術人工智能（AI）。這些技術都具有以下三個特徵：
商業市場。與大多數具有戰略重要性的現有技術不同，政府不是這些技術的主要資助者，主要開發者不是國防承包商。存在大型商業市場，推動了大量的研究、開發和運營。在某些情況下，關鍵國家安全系統的組成部分依賴於商業市場 - 例如，為視頻遊戲開發的GPU（圖形處理單元）是用於核武器模擬的超級計算機的基礎。在其他情況下，政府的某些部門無法獲得尖端技術 - 例如，谷歌就制定了一項政策，要求不能為武器系統設計AI。
軍民兩用特性。 由於這些技術的商業應用，軍事計劃很難與商業計劃區分開來。很少有標記將合法的生物技術努力與生物武器計劃區分開來。因此，難以檢測計算系統是用於良性科學研究還是用於解密軍事通信。
快速變化。與大多數武器不同，其中一些技術隨著時間的推移呈現出性能的指數級改進。如此迅速的變化使得規劃和調整變得困難，特別是在政策制定和政府採購的典型時間尺度上。
- 在接下來的十年中，這些技術（和其他技術）的競爭將挑戰美國國家安全決策者。他們將被推動制定加速創新的國家戰略，包括增加研發資金，改變移民政策以防止人才流失，擴大知識產權保護以限制技術盜竊，以及要求商業技術公司解決國家安全優先事項。
- 國防機構將面臨與其傳統承包商以外的技術組織合作的挑戰，並在接近商業期望的採購時間線上運營。情報機構將被迫監控外國商業技術公司和外國學術實驗室，這些公司正在開發關鍵的戰略技術。
- 最後，外交官將被轉移到不熟悉的領域進行談判，例如影響其技術成為全球規範的模糊國際標準制定機構。
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