USA og Kina er i et kvantevåbenkapløb, der vil transformere krigsførelse

Mike McQuade

I 1970'erne, på højden af ​​den kolde krig, begyndte amerikanske militærplanlæggere at bekymre sig om truslen mod amerikanske krigsfly fra nye, radarstyrede missilforsvar i USSR og andre nationer. Som svar optrappede ingeniører på steder som den amerikanske forsvarsgigant Lockheed Martins berømte Skunk Works arbejdet med stealth-teknologi, der kunne skærme fly fra fjendens radars nysgerrige øjne.

De nyskabelser, der resulterede, inkluderer usædvanlige former, der afbøjer radarbølger - som det amerikanske B-2-bombeflys flyvende vingedesign (ovenfor) - såvel som kulstofbaserede materialer og nye malinger. Stealth-teknologi er endnu ikke en Harry Potter-lignende usynlighedskappe: Selv nutidens mest avancerede krigsfly reflekterer stadig nogle radarbølger. Men disse signaler er så små og svage, at de forsvinder i baggrundsstøj, hvilket tillader flyet at passere ubemærket.

Kina og Rusland har siden fået deres egne stealth-fly, men USA er stadig bedre. De har givet USA fordelen ved at iværksætte overraskelsesangreb i kampagner som krigen i Irak, der begyndte i 2003.

Denne fordel er nu truet. I november 2018 afslørede China Electronics Technology Group Corporation (CETC), Kinas største forsvarselektronikvirksomhed, en prototyperadar, som den hævder kan detektere stealth-fly under flyvning. Radaren bruger nogle af kvantefysikkens eksotiske fænomener til at hjælpe med at afsløre flys placering.

Det er blot en af ​​flere kvante-inspirerede teknologier, der kan ændre krigsførelse. Ud over at slynge fly kan de styrke sikkerheden for kommunikation på slagmarken og påvirke ubådes evne til at navigere i havene uopdaget. Forfølgelsen af ​​disse teknologier udløser et nyt våbenkapløb mellem USA og Kina, som ser den nye kvanteæra som en enestående mulighed for at få et forspring i forhold til sin rival inden for militærteknologi.

Stealth spotter

Hvor hurtigt kvantefremskridt vil påvirke militær magt, vil afhænge af arbejdet udført af forskere som Jonathan Baugh. En professor ved University of Waterloo i Canada, Baugh arbejder på en enhed, der er en del af et større projekt for at udvikle kvanteradar. Dets tilsigtede brugere: stationer i Arktis, der drives af North American Aerospace Defense Command, eller NORAD, en fælles amerikansk-canadisk organisation.

Baughs maskine genererer par af fotoner, der er sammenfiltret - et fænomen, der betyder, at lyspartiklerne deler en enkelt kvantetilstand. En ændring i en foton påvirker øjeblikkeligt den andens tilstand, selvom de er adskilt af store afstande.

Kvanteradar fungerer ved at tage en foton fra hvert par genereret og affyre den i en mikrobølgestråle. Den anden foton fra hvert par holdes tilbage inde i radarsystemet.

Udstyr fra et prototype kvanteradarsystem lavet af China Electronics Technology Group Corporation Imaginechina via AP Images

Kun få af de udsendte fotoner vil blive reflekteret tilbage, hvis de rammer et stealth-fly. En konventionel radar ville ikke være i stand til at skelne disse tilbagevendende fotoner fra massen af ​​andre indkommende fotoner skabt af naturfænomener - eller af radar-jamming-enheder. Men en kvanteradar kan tjekke for beviser for, at indkommende fotoner er viklet ind i dem, der holdes tilbage. Enhver, der er, skal stamme fra radarstationen. Dette gør det muligt for den at registrere selv de svageste retursignaler i en masse baggrundsstøj.

Baugh advarer om, at der stadig er store tekniske udfordringer. Disse omfatter udvikling af meget pålidelige strømme af sammenfiltrede fotoner og bygning af ekstremt følsomme detektorer. Det er svært at vide, om CETC, som allerede i 2016 hævdede, at dens radar kunne detektere objekter op til 100 kilometer (62 miles) væk, har løst disse udfordringer; det holder de tekniske detaljer om sin prototype hemmelige.

Seth Lloyd, en MIT-professor, der udviklede teorien, der understøtter kvanteradar, siger, at i mangel af hårde beviser, er han skeptisk over for det kinesiske firmas påstande. Men han tilføjer, at der ikke er tvivl om kvanteradarens potentiale. Når en fuldt fungerende enhed endelig er implementeret, vil det markere begyndelsen på slutningen af ​​stealth-æraen.

Kinas ambitioner

CETCs arbejde er en del af en langsigtet indsats fra Kina for at gøre sig selv til en verdensleder inden for kvanteteknologi. Landet yder generøse midler til nye kvanteforskningscentre på universiteter og bygger et nationalt forskningscenter for kvantevidenskab, der er planlagt til at åbne i 2020. Det er allerede sprunget foran USA med at registrere patenter inden for kvantekommunikation og kryptografi (se diagram).

En undersøgelse af Kinas kvantestrategi offentliggjort i september 2018 af Center for a New American Security (CNAS), en amerikansk tænketank, bemærkede, at Chinese People's Liberation Army (PLA) rekrutterer kvantespecialister, og at store forsvarsvirksomheder som China Shipbuilding Industry Corporation (CSIC) er oprettelse af fælles kvantelaboratorier på universiteterne. Det er dog svært at finde ud af, præcis hvilke projekter der har et militært element i sig. Der er en vis grad af uigennemsigtighed og tvetydighed her, og noget af det kan være bevidst, siger Elsa Kania, en medforfatter af CNAS-undersøgelsen.

Kinas indsats stiger, ligesom frygten for, at det amerikanske militær er ved at miste sin konkurrencefordel. En kommission med til opgave af Kongressen at gennemgå Trump-administrationens forsvarsstrategi udstedt en rapport i november 2018 advarede om, at den amerikanske overlegenhedsmargin er dybt formindsket på nøgleområder og opfordrede til flere investeringer i nye slagmarksteknologier.

En af disse teknologier er sandsynligvis kvantekommunikationsnetværk. Kinesiske forskere har allerede bygget en satellit, der kan sende kvantekrypterede beskeder mellem fjerne steder, samt et jordbaseret netværk, der strækker sig mellem Beijing og Shanghai. Begge projekter er udviklet af videnskabelige forskere, men knowhow og infrastruktur kunne nemt tilpasses til militær brug.

Netværkene er afhængige af en tilgang kendt som quantum key distribution (QKD). Beskeder er kodet i form af klassiske bits, og de kryptografiske nøgler, der er nødvendige for at afkode dem, sendes som kvantebits eller qubits. Disse qubits er typisk fotoner, der let kan rejse på tværs af fiberoptiske netværk eller gennem atmosfæren. Hvis en fjende forsøger at opsnappe og læse qubits, ødelægger dette øjeblikkeligt deres sarte kvantetilstand, udsletter den information, de bærer, og efterlader et afslørende tegn på en indtrængen.

QKD-teknologien er ikke helt sikker endnu. Lange jordnetværk kræver mellemstationer svarende til repeatere, der booster signaler langs et almindeligt datakabel. På disse stationer afkodes nøglerne til klassisk form, før de omkodes i en kvanteform og sendes til den næste station. Mens nøglerne er i klassisk form, kan en fjende hacke sig ind og kopiere dem uopdaget.

For at overvinde dette problem arbejder et team af forskere ved US Army Research Laboratory i Adelphi, Maryland, på en tilgang kaldet kvanteteleportation. Dette indebærer at bruge entanglement til at overføre data mellem en qubit, som en afsender holder, og en anden, der holdes af en modtager, ved at bruge, hvad der svarer til en slags virtuelt, engangs-kvantedatakabel. (Der er en mere detaljeret beskrivelse her.)

Michael Brodsky, en af ​​forskerne, siger, at han og hans kolleger har arbejdet på en række tekniske udfordringer, herunder at finde måder at sikre, at qubits sarte kvantetilstand ikke forstyrres under transmission gennem fiberoptiske netværk. Teknologien er stadig begrænset til et laboratorium, men holdet siger, at den nu er robust nok til at blive testet udenfor. Stativerne kan sættes på lastbiler, og lastbilerne kan flyttes til marken, forklarer Brodsky.

Det varer måske ikke længe, ​​før Kina tester sit eget kvanteteleporteringssystem. Forskere er allerede ved at bygge det fiberoptiske netværk til et, der vil strække sig fra byen Zhuhai nær Macau til nogle øer i Hong Kong.

Kvante kompas

Forskere udforsker også at bruge kvantetilgange til at levere mere nøjagtige og idiotsikre navigationsværktøjer til militæret. Amerikanske fly og flådefartøjer er allerede afhængige af præcise atomure for at hjælpe med at holde styr på, hvor de er. Men de regner også med signaler fra Global Positioning System (GPS), et netværk af satellitter, der kredser om Jorden. Dette udgør en risiko, fordi en fjende kan forfalske eller forfalske GPS-signaler - eller blokere dem helt.

Lockheed Martin mener, at amerikanske sejlere kunne bruge et kvantekompas baseret på mikroskopiske syntetiske diamanter med atomare fejl kendt som nitrogen-vacancy-centre eller NV-centre. Disse kvantefejl i diamantgitteret kan udnyttes til at danne et ekstremt nøjagtigt magnetometer. At skinne en laser på diamanter med NV-centre får dem til at udsende lys med en intensitet, der varierer i henhold til det omgivende magnetfelt.

Wikimedia Commons

Ned Allen, Lockheeds chefforsker, siger, at magnetometret er fantastisk til at detektere magnetiske anomalier - karakteristiske variationer i Jordens magnetfelt forårsaget af magnetiske aflejringer eller klippeformationer. Der er allerede detaljerede kort af disse anomalier lavet af satellit- og jordbaserede undersøgelser. Ved at sammenligne uregelmæssigheder opdaget ved hjælp af magnetometeret med disse kort, kan navigatører bestemme, hvor de er. Fordi magnetometret også angiver orienteringen af ​​magnetiske felter, kan skibe og ubåde bruge dem til at finde ud af, hvilken retning de er på vej.

Kinas militær er tydeligvis bekymret over trusler mod sin egen version af GPS, kendt som BeiDou. Forskning i kvantenavigation og sensing-teknologi er i gang på forskellige institutter over hele landet, ifølge CNAS-rapporten.

Ud over at blive brugt til navigation, kan magnetometre også registrere og spore bevægelsen af ​​store metalgenstande, såsom ubåde, ved udsving, de forårsager i lokale magnetfelter. Fordi de er meget følsomme, bliver magnetometrene let forstyrret af baggrundsstøj, så indtil videre bruges de kun til detektion på meget korte afstande. Men sidste år lod det kinesiske videnskabsakademi slippe, at nogle kinesiske forskere havde fundet en måde at kompensere for dette ved hjælp af kvanteteknologi. Det kan betyde, at enhederne kan bruges i fremtiden til at spotte ubåde på meget længere afstande.

Et tæt løb

Det er stadig tidlige dage for militærers brug af kvanteteknologier. Der er ingen garanti for, at de vil fungere godt i skala eller i konfliktsituationer, hvor absolut pålidelighed er afgørende. Men hvis de lykkes, kan kvantekryptering og kvanteradar gøre en særlig stor indflydelse. Kodebrud og radar var med til at ændre forløbet af Anden Verdenskrig. Kvantekommunikation kan gøre det meget sværere eller umuligt at stjæle hemmelige beskeder. Kvanteradar ville gøre stealth-fly lige så synlige som almindelige. Begge ting ville ændre spillet.

Det er også for tidligt at sige, om det bliver Kina eller USA, der kommer i top i kvantevåbenkapløbet – eller om det vil føre til et dødvande i den kolde krig. Men de penge, Kina hælder i kvanteforskningen, er et tegn på, hvor fast besluttet det er på at gå forrest.

Kina har også formået at opdyrke tætte samarbejdsrelationer mellem statslige forskningsinstitutter, universiteter og virksomheder som CSIC og CETC. USA har til sammenligning kun lige vedtaget lovgivning for at skabe en national plan for koordinering af offentlige og private indsatser. Forsinkelsen i at vedtage en sådan tilgang har ført til en masse fortyndede projekter og kunne bremse udviklingen af ​​nyttige militære applikationer. Vi forsøger at få forskersamfundet til at tage mere af en systemtilgang, siger Brodsky, den amerikanske hærs kvanteekspert.

Alligevel har det amerikanske militær nogle klare fordele i forhold til PLA. Forsvarsministeriet har investeret i kvanteforskning i meget lang tid, ligesom amerikanske spionagenturer. Den viden, der genereres, hjælper med at forklare, hvorfor amerikanske virksomheder fører an inden for områder som udviklingen af ​​kraftfulde kvantecomputere, som udnytter sammenfiltrede qubits til at generere enorme mængder processorkraft.

Det amerikanske militær kan også udnytte det arbejde, der udføres af dets allierede og af et levende akademisk forskningsmiljø derhjemme. Baughs radarforskning er for eksempel finansieret af den canadiske regering, og USA planlægger et fælles forskningsinitiativ med sine nærmeste militære partnere - Canada, Storbritannien, Australien og New Zealand - inden for områder som kvantenavigation.

Alt dette har givet USA et forspring i kvantevåbenkapløbet. Men Kinas imponerende indsats for at turbolade kvanteforskning betyder, at kløften mellem dem lukker hurtigt.

skjule