211service.com
USA og Kina er i et kvantevåpenkappløp som vil forandre krigføring
Mike McQuade
På 1970-tallet, på høyden av den kalde krigen, begynte amerikanske militærplanleggere å bekymre seg for trusselen mot amerikanske krigsfly fra nye, radarstyrte missilforsvar i USSR og andre nasjoner. Som svar trappet ingeniører ved steder som den amerikanske forsvarsgiganten Lockheed Martins berømte Skunk Works arbeidet med stealth-teknologi som kunne skjerme fly fra fiendtlige radars nysgjerrige øyne.
Innovasjonene som resulterte inkluderer uvanlige former som avleder radarbølger – som US B-2-bombeflyets flygende vingedesign (ovenfor) – så vel som karbonbaserte materialer og nye malinger. Stealth-teknologi er ennå ikke en Harry Potter-lignende usynlighetskappe: selv dagens mest avanserte krigsfly reflekterer fortsatt noen radarbølger. Men disse signalene er så små og svake at de går seg vill i bakgrunnsstøy, og lar flyet passere ubemerket.
Kina og Russland har siden fått egne stealth-fly, men USA er fortsatt bedre. De har gitt USA fordelen ved å starte overraskelsesangrep i kampanjer som krigen i Irak som startet i 2003.
Denne fordelen er nå truet. I november 2018 avduket China Electronics Technology Group Corporation (CETC), Kinas største forsvarselektronikkselskap, en prototyperadar som den hevder kan oppdage stealth-fly under flukt. Radaren bruker noen av kvantefysikkens eksotiske fenomener for å avsløre flyenes plassering.
Det er bare en av flere kvanteinspirerte teknologier som kan endre krigføringens ansikt. I tillegg til å unstealting fly, kan de styrke sikkerheten til slagmarkskommunikasjon og påvirke evnen til ubåter til å navigere i havene uoppdaget. Jakten på disse teknologiene utløser et nytt våpenkappløp mellom USA og Kina, som ser på den fremvoksende kvanteæraen som en gang-i-livet-mulighet til å få et forsprang på sin rival innen militærteknologi.
Stealth-spotter
Hvor raskt kvantefremskritt vil påvirke militærmakt vil avhenge av arbeidet til forskere som Jonathan Baugh. En professor ved University of Waterloo i Canada, Baugh jobber med en enhet som er en del av et større prosjekt for å utvikle kvanteradar. Dens tiltenkte brukere: stasjoner i Arktis som drives av North American Aerospace Defense Command, eller NORAD, en felles amerikansk-kanadisk organisasjon.
Baughs maskin genererer par med fotoner som er sammenfiltret - et fenomen som betyr at lyspartiklene deler en enkelt kvantetilstand. En endring i ett foton påvirker umiddelbart tilstanden til det andre, selv om de er adskilt av store avstander.
Kvanteradar fungerer ved å ta ett foton fra hvert par som genereres og skyte det ut i en mikrobølgestråle. Det andre fotonet fra hvert par holdes tilbake inne i radarsystemet.
Utstyr fra et prototype kvanteradarsystem laget av China Electronics Technology Group Corporation Imaginechina via AP Images
Bare noen få av fotonene som sendes ut vil bli reflektert tilbake hvis de treffer et stealth-fly. En konvensjonell radar ville ikke være i stand til å skille disse returnerende fotonene fra massen av andre innkommende fotonene skapt av naturfenomener – eller av radarstoppende enheter. Men en kvanteradar kan se etter bevis på at innkommende fotoner er viklet sammen med de som holdes tilbake. Alle som er må ha sitt opphav på radarstasjonen. Dette gjør den i stand til å oppdage selv de svakeste retursignaler i en masse bakgrunnsstøy.
Baugh advarer om at det fortsatt er store tekniske utfordringer. Disse inkluderer utvikling av svært pålitelige strømmer av sammenfiltrede fotoner og bygging av ekstremt følsomme detektorer. Det er vanskelig å vite om CETC, som allerede i 2016 hevdet at radaren kunne oppdage objekter opptil 100 kilometer (62 miles) unna, har løst disse utfordringene; det holder de tekniske detaljene til prototypen hemmelig.
Seth Lloyd, en MIT-professor som utviklet teorien som ligger til grunn for kvanteradar, sier at i mangel av harde bevis, er han skeptisk til det kinesiske selskapets påstander. Men, legger han til, potensialet til kvanteradar er ikke i tvil. Når en fullt fungerende enhet endelig er utplassert, vil det markere begynnelsen på slutten av stealth-æraen.
Kinas ambisjoner
CETCs arbeid er en del av en langsiktig innsats fra Kina for å gjøre seg selv til en verdensleder innen kvanteteknologi. Landet gir generøse midler til nye kvanteforskningssentre ved universiteter og bygger et nasjonalt forskningssenter for kvantevitenskap som er planlagt å åpne i 2020. Det har allerede gått foran USA når det gjelder registrering av patenter innen kvantekommunikasjon og kryptografi (se diagram).
En studie av Kinas kvantestrategi publisert i september 2018 av Center for a New American Security (CNAS), en amerikansk tenketank, bemerket at Chinese People's Liberation Army (PLA) rekrutterer kvantespesialister, og at store forsvarsselskaper som China Shipbuilding Industry Corporation (CSIC) er sette opp felles kvantelaboratorier ved universiteter. Å finne ut nøyaktig hvilke prosjekter som har et militært element i seg er imidlertid vanskelig. Det er en grad av ugjennomsiktighet og tvetydighet her, og noe av det kan være bevisst, sier Elsa Kania, en medforfatter av CNAS-studien.
Kinas innsats øker i takt med at frykten øker for at det amerikanske militæret mister konkurransefortrinnet. En kommisjon i oppgave av Kongressen for å gjennomgå Trump-administrasjonens forsvarsstrategi utstedt en rapport i november 2018 og advarte om at den amerikanske overlegenhetsmarginen er sterkt redusert på nøkkelområder og ba om mer investeringer i ny slagmarksteknologi.
En av disse teknologiene er sannsynligvis kvantekommunikasjonsnettverk. Kinesiske forskere har allerede bygget en satellitt som kan sende kvantekrypterte meldinger mellom fjerne steder, samt et bakkenett som strekker seg mellom Beijing og Shanghai. Begge prosjektene ble utviklet av vitenskapelige forskere, men kunnskapen og infrastrukturen kunne enkelt tilpasses militært bruk.
Nettverkene er avhengige av en tilnærming kjent som kvantenøkkeldistribusjon (QKD). Meldinger er kodet i form av klassiske biter, og de kryptografiske nøklene som trengs for å dekode dem sendes som kvantebiter, eller qubits. Disse qubitene er typisk fotoner som lett kan reise over fiberoptiske nettverk eller gjennom atmosfæren. Hvis en fiende prøver å avskjære og lese qubitene, ødelegger dette umiddelbart deres delikate kvantetilstand, utsletter informasjonen de har med seg og etterlater et avslørende tegn på en inntrenging.
QKD-teknologien er ikke helt sikker ennå. Lange bakkenettverk krever mellomstasjoner som ligner på repeaterne som øker signalene langs en vanlig datakabel. På disse stasjonene dekodes nøklene til klassisk form før de kodes på nytt i en kvanteform og sendes til neste stasjon. Mens nøklene er i klassisk form, kan en fiende hacke seg inn og kopiere dem uoppdaget.
For å overvinne dette problemet jobber et team av forskere ved US Army Research Laboratory i Adelphi, Maryland, med en tilnærming kalt kvanteteleportering. Dette innebærer å bruke entanglement for å overføre data mellom en qubit som holdes av en avsender og en annen som holdes av en mottaker, ved å bruke det som utgjør en slags virtuell, engangs-kvantedatakabel. (Det er en mer detaljert beskrivelse her.)
Michael Brodsky, en av forskerne, sier at han og kollegene hans har jobbet med en rekke tekniske utfordringer, inkludert å finne måter å sikre at qubitenes delikate kvantetilstand ikke blir forstyrret under overføring gjennom fiberoptiske nettverk. Teknologien er fortsatt begrenset til et laboratorium, men teamet sier at den nå er robust nok til å bli testet ute. Stativene kan settes på lastebiler, og lastebilene kan flyttes til feltet, forklarer Brodsky.
Det kan ikke være lenge før Kina tester ut sitt eget kvanteteleporteringssystem. Forskere bygger allerede det fiberoptiske nettverket for et som vil strekke seg fra byen Zhuhai, nær Macau, til noen øyer i Hong Kong.
Kvantekompass
Forskere utforsker også kvantetilnærminger for å levere mer nøyaktige og idiotsikre navigasjonsverktøy til militæret. Amerikanske fly og marinefartøyer er allerede avhengige av presise atomklokker for å holde oversikt over hvor de er. Men de regner også med signaler fra Global Positioning System (GPS), et nettverk av satellitter som kretser rundt jorden. Dette utgjør en risiko fordi en fiende kan forfalske, eller forfalske, GPS-signaler – eller blokkere dem helt.
Lockheed Martin tror amerikanske seilere kan bruke et kvantekompass basert på mikroskopiske syntetiske diamanter med atomfeil kjent som nitrogen-ledighetssentre, eller NV-sentre. Disse kvantedefektene i diamantgitteret kan utnyttes for å danne et ekstremt nøyaktig magnetometer. Å skinne en laser på diamanter med NV-sentre gjør at de sender ut lys med en intensitet som varierer i henhold til det omkringliggende magnetfeltet.
Wikimedia Commons
Ned Allen, Lockheeds sjefforsker, sier at magnetometeret er utmerket til å oppdage magnetiske anomalier - karakteristiske variasjoner i jordens magnetfelt forårsaket av magnetiske avsetninger eller fjellformasjoner. Det finnes allerede detaljerte kart av disse anomaliene laget av satellitt- og terrestriske undersøkelser. Ved å sammenligne anomalier oppdaget ved hjelp av magnetometeret med disse kartene, kan navigatører finne ut hvor de er. Fordi magnetometeret også indikerer orienteringen til magnetiske felt, kan skip og ubåter bruke dem til å finne ut hvilken retning de er på vei.
Kinas militære er tydelig bekymret for trusler mot sin egen versjon av GPS, kjent som BeiDou. Forskning på kvantenavigasjon og sanseteknologi pågår ved forskjellige institutter over hele landet, ifølge CNAS-rapporten.
I tillegg til å bli brukt til navigasjon, kan magnetometre også oppdage og spore bevegelsen til store metalliske gjenstander, som ubåter, ved svingninger de forårsaker i lokale magnetfelt. Fordi de er veldig følsomme, blir magnetometrene lett forstyrret av bakgrunnsstøy, så foreløpig brukes de til deteksjon kun på svært korte avstander. Men i fjor slapp det kinesiske vitenskapsakademiet at noen kinesiske forskere hadde funnet en måte å kompensere for dette ved hjelp av kvanteteknologi. Det kan bety at enhetene kan brukes i fremtiden for å oppdage ubåter på mye lengre avstander.
Et tett løp
Det er fortsatt tidlig for militærers bruk av kvanteteknologier. Det er ingen garanti for at de vil fungere godt i skala, eller i konfliktsituasjoner der absolutt pålitelighet er avgjørende. Men hvis de lykkes, kan kvantekryptering og kvanteradar ha en spesielt stor innvirkning. Kodeknusing og radar bidro til å endre løpet av andre verdenskrig. Kvantekommunikasjon kan gjøre det mye vanskeligere eller umulig å stjele hemmelige meldinger. Kvanteradar ville gjøre stealth-fly like synlige som vanlige. Begge ting ville forandret spillet.
Det er også for tidlig å si om det vil være Kina eller USA som kommer til topps i kvantevåpenkappløpet – eller om det vil føre til en dødgang i den kalde krigen. Men pengene Kina pøser inn i kvanteforskning er et tegn på hvor fast bestemt det er å ta ledelsen.
Kina har også klart å dyrke nære samarbeidsforhold mellom statlige forskningsinstitutter, universiteter og selskaper som CSIC og CETC. USA, til sammenligning, har nettopp vedtatt lovgivning for å lage en nasjonal plan for koordinering av offentlig og privat innsats. Forsinkelsen med å ta i bruk en slik tilnærming har ført til mange fortærte prosjekter og kan bremse utviklingen av nyttige militære applikasjoner. Vi prøver å få forskningsmiljøet til å ta mer systemtilnærming, sier Brodsky, kvanteeksperten fra den amerikanske hæren.
Likevel har det amerikanske militæret noen distinkte fordeler i forhold til PLA. Forsvarsdepartementet har investert i kvanteforskning i svært lang tid, det samme har amerikanske spionbyråer. Kunnskapen som genereres hjelper til med å forklare hvorfor amerikanske selskaper leder på områder som utviklingen av kraftige kvantedatamaskiner, som utnytter sammenfiltrede qubits for å generere enorme mengder prosessorkraft.
Det amerikanske militæret kan også benytte seg av arbeidet som utføres av dets allierte og av et levende akademisk forskningsmiljø hjemme. Baughs radarforskning er for eksempel finansiert av den kanadiske regjeringen, og USA planlegger et felles forskningsinitiativ med sine nærmeste militære partnere – Canada, Storbritannia, Australia og New Zealand – innen områder som kvantenavigasjon.
Alt dette har gitt USA et forsprang i kvantevåpenkappløpet. Men Kinas imponerende innsats for å turbolade kvanteforskning betyr at gapet mellom dem lukkes raskt.