211service.com
USA och Kina befinner sig i en kvantkapprustning som kommer att förändra krigföring
Mike McQuade
På 1970-talet, på höjden av det kalla kriget, började amerikanska militärplanerare oroa sig för hotet mot amerikanska stridsflyg från nya, radarstyrda missilförsvar i Sovjetunionen och andra nationer. Som svar ökade ingenjörer på platser som den amerikanska försvarsjätten Lockheed Martins berömda Skunk Works arbetet med stealth-teknik som kunde skydda flygplan från fiendens radars nyfikna ögon.
Innovationerna som resulterade inkluderar ovanliga former som avleder radarvågor - som US B-2-bombplanens flygande vingdesign (ovan) - såväl som kolbaserade material och nya färger. Stealth-teknik är ännu inte en Harry Potter-liknande osynlighetsmantel: även dagens mest avancerade stridsflyg reflekterar fortfarande vissa radarvågor. Men dessa signaler är så små och svaga att de går vilse i bakgrundsljud, vilket gör att flygplanet kan passera obemärkt.
Kina och Ryssland har sedan dess skaffat sina egna stealth-flygplan, men USA är fortfarande bättre. De har gett USA fördelen i att inleda överraskande attacker i kampanjer som kriget i Irak som började 2003.
Denna fördel är nu hotad. I november 2018 presenterade China Electronics Technology Group Corporation (CETC), Kinas största försvarselektronikföretag, en prototypradar som den hävdar kan upptäcka smygflygplan under flygning. Radarn använder några av kvantfysikens exotiska fenomen för att hjälpa till att avslöja flygplanens positioner.
Det är bara en av flera kvantinspirerade teknologier som kan förändra krigföringens ansikte. Förutom att slösa flygplan kan de stärka säkerheten för kommunikationen på slagfältet och påverka ubåtarnas förmåga att navigera i haven oupptäckt. Jakten på dessa teknologier utlöser en ny kapprustning mellan USA och Kina, som ser den framväxande kvanteran som en en gång i livet möjlighet att ta ett försprång gentemot sin rival inom militär teknik.
Stealth-spotter
Hur snabbt kvantframsteg kommer att påverka militärmakt kommer att bero på arbetet av forskare som Jonathan Baugh. En professor vid University of Waterloo i Kanada, Baugh arbetar på en enhet som är en del av ett större projekt för att utveckla kvantradar. Dess avsedda användare: stationer i Arktis som drivs av North American Aerospace Defense Command, eller NORAD, en gemensam amerikansk-kanadensisk organisation.
Baughs maskin genererar par av fotoner som är intrasslade - ett fenomen som innebär att ljuspartiklarna delar ett enda kvanttillstånd. En förändring i en foton påverkar omedelbart den andras tillstånd, även om de är åtskilda av stora avstånd.
Kvantradarn fungerar genom att ta en foton från varje genererat par och avfyra den i en mikrovågsstråle. Den andra fotonen från varje par hålls tillbaka inuti radarsystemet.
Utrustning från en prototyp av kvantradarsystem tillverkad av China Electronics Technology Group Corporation Imaginechina via AP Images
Endast ett fåtal av de fotoner som skickas ut kommer att reflekteras tillbaka om de träffar ett smygflygplan. En konventionell radar skulle inte kunna särskilja dessa återkommande fotoner från massan av andra inkommande fotoner som skapats av naturfenomen – eller av radarstörande enheter. Men en kvantradar kan kontrollera bevis för att inkommande fotoner är intrasslade med de som hålls tillbaka. Alla som är måste ha sitt ursprung vid radarstationen. Detta gör att den kan upptäcka även de svagaste retursignaler i en massa bakgrundsljud.
Baugh varnar för att det fortfarande finns stora tekniska utmaningar. Dessa inkluderar att utveckla mycket pålitliga strömmar av intrasslade fotoner och att bygga extremt känsliga detektorer. Det är svårt att veta om CETC, som redan 2016 hävdade att dess radar kunde upptäcka föremål upp till 100 kilometer (62 miles) bort, har löst dessa utmaningar; det håller de tekniska detaljerna i sin prototyp hemliga.
Seth Lloyd, en MIT-professor som utvecklade teorin som ligger till grund för kvantradarn, säger att i avsaknad av hårda bevis är han skeptisk till det kinesiska företagets påståenden. Men, tillägger han, potentialen hos kvantradar är inte ifrågasatt. När en fullt fungerande enhet äntligen har tagits i bruk, kommer det att markera början på slutet på stealth-eran.
Kinas ambitioner
CETC:s arbete är en del av ett långsiktigt arbete från Kina för att göra sig själv till en världsledande inom kvantteknologi. Landet tillhandahåller generös finansiering till nya kvantforskningscenter vid universitet och bygger ett nationellt forskningscenter för kvantvetenskap som är planerat att öppna 2020. Det har redan tagit ett steg före USA när det gäller registrering av patent inom kvantkommunikation och kryptografi (se diagram).
En studie av Kinas kvantstrategi publicerad i september 2018 av Center for a New American Security (CNAS), en amerikansk tankesmedja, noterade att Chinese People's Liberation Army (PLA) rekryterar kvantspecialister och att stora försvarsföretag som China Shipbuilding Industry Corporation (CSIC) är inrätta gemensamma kvantlabb vid universiteten. Att räkna ut exakt vilka projekt som har ett militärt inslag är dock svårt. Det finns en grad av opacitet och tvetydighet här, och en del av det kan vara avsiktligt, säger Elsa Kania, en medförfattare till CNAS-studien.
Kinas ansträngningar ökar precis som farhågorna växer för att den amerikanska militären håller på att förlora sin konkurrensfördel. En kommission med uppdrag av kongressen att granska Trump-administrationens försvarsstrategi utfärdad en rapport i november 2018 varning för att USA:s överlägsenhetsmarginal är djupt minskad på nyckelområden och efterlyste mer investeringar i ny slagfältsteknik.
En av dessa tekniker är sannolikt kvantkommunikationsnätverk. Kinesiska forskare har redan byggt en satellit som kan skicka kvantkrypterade meddelanden mellan avlägsna platser, samt ett marknät som sträcker sig mellan Peking och Shanghai. Båda projekten utvecklades av vetenskapliga forskare, men kunnandet och infrastrukturen kunde lätt anpassas för militär användning.
Nätverken förlitar sig på en metod som kallas kvantnyckeldistribution (QKD). Meddelanden är kodade i form av klassiska bitar, och de kryptografiska nycklar som behövs för att avkoda dem skickas som kvantbitar, eller qubits. Dessa qubits är vanligtvis fotoner som lätt kan färdas över fiberoptiska nätverk eller genom atmosfären. Om en fiende försöker fånga upp och läsa qubits, förstör detta omedelbart deras känsliga kvanttillstånd, utplånar informationen de bär och lämnar ett tydligt tecken på ett intrång.
QKD-tekniken är inte helt säker än. Långa marknät kräver mellanstationer som liknar repeatrarna som förstärker signalerna längs en vanlig datakabel. På dessa stationer avkodas nycklarna till klassisk form innan de kodas om i en kvantform och skickas till nästa station. Medan nycklarna är i klassisk form kan en fiende hacka sig in och kopiera dem oupptäckt.
För att övervinna detta problem arbetar ett team av forskare vid US Army Research Laboratory i Adelphi, Maryland, med ett tillvägagångssätt som kallas kvantteleportation. Detta innebär att man använder entanglement för att överföra data mellan en qubit som innehas av en avsändare och en annan som innehas av en mottagare, med hjälp av vad som motsvarar en slags virtuell, engångs-kvantdatakabel. (Det finns en mer detaljerad beskrivning här.)
Michael Brodsky, en av forskarna, säger att han och hans kollegor har arbetat med ett antal tekniska utmaningar, inklusive att hitta sätt att säkerställa att qubitarnas känsliga kvanttillstånd inte störs under överföring genom fiberoptiska nätverk. Tekniken är fortfarande begränsad till ett labb, men teamet säger att den nu är tillräckligt robust för att testas utomhus. Ställen kan sättas på lastbilar, och lastbilarna kan flyttas till fältet, förklarar Brodsky.
Det kan inte dröja länge innan Kina testar sitt eget kvantteleporteringssystem. Forskare bygger redan det fiberoptiska nätverket för ett som kommer att sträcka sig från staden Zhuhai, nära Macau, till några öar i Hong Kong.
Kvantkompass
Forskare utforskar också att använda kvantmetoder för att leverera mer exakta och idiotsäkra navigeringsverktyg till militären. Amerikanska flygplan och marinfartyg förlitar sig redan på exakta atomur för att hålla reda på var de befinner sig. Men de räknar också med signaler från Global Positioning System (GPS), ett nätverk av satelliter som kretsar runt jorden. Detta utgör en risk eftersom en fiende kan förfalska, eller förfalska, GPS-signaler – eller blockera dem helt och hållet.
Lockheed Martin tror att amerikanska sjömän skulle kunna använda en kvantkompass baserad på mikroskopiska syntetiska diamanter med atomära brister som kallas kvävevakanscenter eller NV-center. Dessa kvantdefekter i diamantgittret kan utnyttjas för att bilda en extremt exakt magnetometer. Att lysa en laser på diamanter med NV-centra gör att de avger ljus med en intensitet som varierar beroende på det omgivande magnetfältet.
Wikimedia Commons
Ned Allen, Lockheeds chefsforskare, säger att magnetometern är bra på att upptäcka magnetiska anomalier - distinkta variationer i jordens magnetfält orsakade av magnetiska avlagringar eller stenformationer. Det finns redan detaljerade kartor av dessa anomalier gjorda av satellit- och markundersökningar. Genom att jämföra anomalier som upptäckts med magnetometern mot dessa kartor kan navigatörer avgöra var de är. Eftersom magnetometern även indikerar magnetfältens orientering kan fartyg och ubåtar använda dem för att räkna ut vilken riktning de är på väg.
Kinas militär är helt klart orolig för hot mot sin egen version av GPS, känd som BeiDou. Forskning om kvantnavigering och avkänningsteknik pågår vid olika institut över hela landet, enligt CNAS-rapporten.
Förutom att användas för navigering kan magnetometrar också upptäcka och spåra rörelsen av stora metallföremål, som ubåtar, genom fluktuationer som de orsakar i lokala magnetfält. Eftersom de är mycket känsliga störs magnetometrarna lätt av bakgrundsljud, så för närvarande används de för detektering endast på mycket korta avstånd. Men förra året släppte den kinesiska vetenskapsakademin att några kinesiska forskare hade hittat ett sätt att kompensera för detta med hjälp av kvantteknologi. Det kan innebära att enheterna kan användas i framtiden för att upptäcka ubåtar på mycket längre avstånd.
Ett tight race
Det är fortfarande tidiga dagar för militärers användning av kvantteknik. Det finns ingen garanti för att de kommer att fungera bra i skala eller i konfliktsituationer där absolut tillförlitlighet är avgörande. Men om de lyckas kan kvantkryptering och kvantradar göra en särskilt stor inverkan. Kodbrytning och radar hjälpte till att förändra andra världskrigets gång. Kvantkommunikation kan göra det mycket svårare eller omöjligt att stjäla hemliga meddelanden. Kvantradar skulle göra smygplan lika synliga som vanliga. Båda sakerna skulle förändra spelet.
Det är också för tidigt att säga om det kommer att vara Kina eller USA som kommer ut i toppen i kvantkapprustningen – eller om det kommer att leda till ett dödläge i kalla krigets stil. Men pengarna Kina öser in i kvantforskning är ett tecken på hur beslutsamt det är att ta ledningen.
Kina har också lyckats odla nära arbetsrelationer mellan statliga forskningsinstitut, universitet och företag som CSIC och CETC. USA, som jämförelse, har precis antagit lagstiftning för att skapa en nationell plan för att samordna offentliga och privata insatser. Förseningen med att anta ett sådant tillvägagångssätt har lett till en hel del nedtonade projekt och kan bromsa utvecklingen av användbara militära tillämpningar. Vi försöker få forskarvärlden att ta mer av en systemansats, säger Brodsky, den amerikanska arméns kvantexpert.
Ändå har den amerikanska militären vissa distinkta fördelar jämfört med PLA. Försvarsdepartementet har investerat i kvantforskning under mycket lång tid, liksom amerikanska spionbyråer. Den kunskap som genereras hjälper till att förklara varför amerikanska företag leder inom områden som utvecklingen av kraftfulla kvantdatorer, som utnyttjar intrasslade qubits för att generera enorma mängder processorkraft.
Den amerikanska militären kan också utnyttja arbete som utförs av dess allierade och av en levande akademisk forskargemenskap på hemmaplan. Baughs radarforskning, till exempel, finansieras av den kanadensiska regeringen, och USA planerar ett gemensamt forskningsinitiativ med sina närmaste militära partners – Kanada, Storbritannien, Australien och Nya Zeeland – inom områden som kvantnavigering.
Allt detta har gett USA ett försprång i kvantkapprustningen. Men Kinas imponerande ansträngning att sätta turbo på kvantforskningen betyder att klyftan mellan dem sluts snabbt.