ASV un Ķīna atrodas kvantu bruņošanās sacensībā, kas pārveidos karadarbību

Maiks Makkvads

70. gados, aukstā kara kulminācijā, amerikāņu militārie plānotāji sāka uztraukties par draudiem ASV kara lidmašīnām, ko rada jaunas, ar radaru vadāmas pretraķešu aizsardzības sistēmas PSRS un citās valstīs. Atbildot uz to, inženieri tādās vietās kā ASV aizsardzības giganta Lockheed Martin slavenais Skunk Works pastiprināja darbu pie slepenas tehnoloģijas, kas varētu pasargāt lidmašīnas no ienaidnieka radara ziņkārīgajām acīm.

Rezultātā iegūtie jauninājumi ietver neparastas formas, kas novirza radara viļņus, piemēram, ASV bumbvedēja B-2 lidojošo spārnu dizains (iepriekš), kā arī materiāli uz oglekļa bāzes un jaunas krāsas. Stealth tehnoloģija vēl nav Harijam Poteram līdzīgs neredzamības apmetnis: pat mūsdienu vismodernākās kara lidmašīnas joprojām atspoguļo dažus radara viļņus. Taču šie signāli ir tik mazi un vāji, ka tie pazūd fona troksnī, ļaujot lidmašīnai nepamanīti pabraukt garām.

Kopš tā laika Ķīna un Krievija ir ieguvušas savas slepenās lidmašīnas, taču Amerikas joprojām ir labākas. Viņi ir devuši ASV priekšrocības negaidītu uzbrukumu uzsākšanā tādās kampaņās kā karš Irākā, kas sākās 2003. gadā.

Šī priekšrocība tagad ir apdraudēta. 2018. gada novembrī China Electronics Technology Group Corporation (CETC), Ķīnas lielākais aizsardzības elektronikas uzņēmums, iepazīstināja ar radara prototipu, kas, pēc tās domām, spēj noteikt slepenas lidmašīnas lidojuma laikā. Radars izmanto dažas no eksotiskām kvantu fizikas parādībām, lai palīdzētu atklāt lidmašīnu atrašanās vietas.

Tā ir tikai viena no vairākām kvantu iedvesmotām tehnoloģijām, kas varētu mainīt kara darbību. Papildus neslēptajām lidmašīnām tie varētu stiprināt kaujas lauka sakaru drošību un ietekmēt zemūdeņu spēju neatklāti pārvietoties pa okeāniem. Tiekšanās pēc šīm tehnoloģijām izraisa jaunu bruņošanās sacensību starp ASV un Ķīnu, kas topošo kvantu laikmetu uzskata par vienreizēju iespēju iegūt priekšrocības pār savu konkurentu militāro tehnoloģiju jomā.

Stealth novērotājs

Tas, cik ātri kvantu sasniegumi ietekmēs militāro spēku, būs atkarīgs no tādu pētnieku darba kā Džonatans Bogs. Voterlo universitātes profesors Kanādā Baugs strādā pie ierīces, kas ir daļa no lielāka projekta, lai izstrādātu kvantu radaru. Tās paredzētie lietotāji: stacijas Arktikā, ko vada Ziemeļamerikas Aerospace Defense Command jeb NORAD, apvienota ASV un Kanādas organizācija.

Boga iekārta ģenerē fotonu pārus, kas ir sapinušies — parādība, kas nozīmē, ka gaismas daļiņām ir viens kvantu stāvoklis. Viena fotona izmaiņas nekavējoties ietekmē otra fotona stāvokli, pat ja tos atdala milzīgi attālumi.

Kvantu radars darbojas, paņemot vienu fotonu no katra radītā pāra un izšaujot to mikroviļņu starā. Otrs fotons no katra pāra tiek aizturēts radara sistēmā.

Iekārtas no kvantu radara sistēmas prototipa, ko izgatavojusi China Electronics Technology Group Corporation Imaginechina, izmantojot AP Images

Tikai daži no izsūtītajiem fotoniem tiks atspoguļoti atpakaļ, ja tie trāpīs slepenai lidmašīnai. Parastais radars nespētu atšķirt šos atgrieztos fotonus no citu ienākošo fotonu masas, ko rada dabas parādības vai radara traucēšanas ierīces. Taču kvantu radars var pārbaudīt, vai nav pierādījumu, ka ienākošie fotoni ir sapinušies ar aizturētajiem. Visiem, kas ir, ir jābūt radušies radara stacijā. Tas ļauj tai noteikt pat vājākos atgriešanās signālus fona trokšņu masā.

Baugs brīdina, ka joprojām pastāv lieli inženiertehniskie izaicinājumi. Tie ietver ļoti uzticamu sapinušos fotonu plūsmu izstrādi un īpaši jutīgu detektoru izveidi. Ir grūti zināt, vai CETC, kas jau 2016. gadā apgalvoja, ka tā radars spēj noteikt objektus līdz 100 kilometru (62 jūdžu) attālumā, ir atrisinājis šīs problēmas; tas patur noslēpumā sava prototipa tehniskās detaļas.

Sets Loids, MIT profesors, kurš izstrādāja teoriju, kas ir kvantu radara pamatā, saka, ka, ja nav pārliecinošu pierādījumu, viņš skeptiski vērtē Ķīnas uzņēmuma apgalvojumus. Bet viņš piebilst, ka kvantu radara potenciāls nav apšaubāms. Kad pilnībā funkcionējoša ierīce beidzot tiks izvietota, tas iezīmēs slepenās ēras beigu sākumu.

Ķīnas ambīcijas

CETC darbs ir daļa no Ķīnas ilgtermiņa centieniem kļūt par pasaules līderi kvantu tehnoloģiju jomā. Valsts nodrošina dāsnu finansējumu jauniem kvantu pētniecības centriem universitātēs un būvē nacionālo kvantu zinātnes pētniecības centru, kuru paredzēts atvērt 2020. gadā. Tas jau ir apsteidzis ASV patentu reģistrēšanas jomā kvantu komunikāciju un kriptogrāfijas jomā (sk. diagrammu).

Ķīnas kvantu stratēģijas pētījums 2018. gada septembrī publicēja ASV domnīca Center for a New American Security (CNAS) un atzīmēja, ka Ķīnas Tautas atbrīvošanas armija (PLA) vervē kvantu speciālistus un ka lielie aizsardzības uzņēmumi, piemēram, China Shipbuilding Industry Corporation (CSIC) kopīgu kvantu laboratoriju izveide universitātēs. Tomēr ir grūti precīzi noteikt, kuriem projektiem ir militārs elements. Šeit ir zināma necaurredzamība un neskaidrības, un daži no tiem var būt apzināti, saka Elsa Kania, CNAS pētījuma līdzautore.

Ķīnas centieni pieaug, tāpat kā pieaug bažas, ka ASV armija zaudē savu konkurētspēju. Izdotā komisija, kuras uzdevums ir Kongress pārskatīt Trampa administrācijas aizsardzības stratēģiju atskaite 2018. gada novembrī brīdināja, ka ASV pārākuma robeža ir būtiski samazinājusies galvenajās jomās, un aicināja vairāk ieguldīt jaunās kaujas lauka tehnoloģijās.

Viena no šīm tehnoloģijām, visticamāk, būs kvantu sakaru tīkli. Ķīniešu pētnieki jau ir izveidojuši satelītu, kas var nosūtīt kvantu šifrētus ziņojumus starp attālām vietām, kā arī zemes tīklu, kas stiepjas starp Pekinu un Šanhaju. Abus projektus izstrādāja zinātniskie pētnieki, taču zināšanas un infrastruktūru varēja viegli pielāgot militārām vajadzībām.

Tīkli balstās uz pieeju, kas pazīstama kā kvantu atslēgu izplatīšana (QKD). Ziņojumi tiek kodēti klasisko bitu veidā, un to atšifrēšanai nepieciešamās kriptogrāfiskās atslēgas tiek nosūtītas kā kvantu biti vai kubiti. Šie kubiti parasti ir fotoni, kas var viegli pārvietoties pa optisko šķiedru tīkliem vai atmosfēru. Ja ienaidnieks mēģina pārtvert un nolasīt kubitus, tas nekavējoties iznīcina viņu smalko kvantu stāvokli, izdzēšot informāciju, ko viņi nes, un atstājot brīdinājuma zīmi par ielaušanos.

QKD tehnoloģija vēl nav pilnībā droša. Gariem zemes tīkliem ir vajadzīgas ceļa stacijas, kas ir līdzīgas atkārtotājiem, kas pastiprina signālus pa parastu datu kabeli. Šajās stacijās atslēgas tiek dekodētas klasiskā formā, pirms tās tiek atkārtoti kodētas kvantu formā un nosūtītas uz nākamo staciju. Kamēr atslēgas ir klasiskā formā, ienaidnieks var tās uzlauzt un nokopēt tās neatklāti.

Lai atrisinātu šo problēmu, pētnieku komanda ASV armijas pētniecības laboratorijā Adelfi, Merilendā, strādā pie pieejas, ko sauc par kvantu teleportāciju. Tas ietver sapīšanās izmantošanu, lai pārsūtītu datus starp kubitu, ko glabā sūtītājs, un citu, kas atrodas uztvērējā, izmantojot virtuālu, vienreizēju kvantu datu kabeli. (Šeit ir detalizētāks apraksts.)

Viens no pētniekiem Maikls Brodskis saka, ka viņš un viņa kolēģi ir strādājuši pie vairākiem tehniskiem izaicinājumiem, tostarp meklējot veidus, kā nodrošināt, lai kubitu smalkais kvantu stāvoklis netiktu traucēts pārraides laikā, izmantojot optisko šķiedru tīklus. Tehnoloģija joprojām ir tikai laboratorijā, taču komanda saka, ka tā tagad ir pietiekami izturīga, lai to pārbaudītu ārpusē. Statīvus var novietot uz kravas automašīnām, un kravas automašīnas var pārvietot uz lauku, skaidro Brodskis.

Iespējams, nepaies ilgs laiks, kad Ķīna izmēģinās pati savu kvantu teleportācijas sistēmu. Pētnieki jau būvē optiskās šķiedras tīklu tīklam, kas stiepsies no Džuhajas pilsētas netālu no Makao līdz dažām salām Honkongā.

Kvantu kompass

Pētnieki arī pēta, izmantojot kvantu pieejas, lai militārpersonām nodrošinātu precīzākus un drošākus navigācijas rīkus. ASV lidmašīnas un jūras spēku kuģi jau paļaujas uz precīziem atompulksteņiem, lai palīdzētu izsekot, kur tie atrodas. Taču viņi rēķinās arī ar signāliem no Globālās pozicionēšanas sistēmas (GPS), satelītu tīkla, kas riņķo ap Zemi. Tas rada risku, jo ienaidnieks var viltot vai viltot GPS signālus vai vispār tos traucēt.

Lockheed Martin uzskata, ka amerikāņu jūrnieki varētu izmantot kvantu kompasu, kura pamatā ir mikroskopiski sintētiskie dimanti ar atomu trūkumiem, kas pazīstami kā slāpekļa vakances centri vai NV centri. Šos dimanta režģa kvantu defektus var izmantot, lai izveidotu ārkārtīgi precīzu magnetometru. Lāzera apspīdēšana dimantiem ar NV centriem liek tiem izstarot gaismu ar intensitāti, kas mainās atkarībā no apkārtējā magnētiskā lauka.

Wikimedia Commons

Neds Alens, Lockheed galvenais zinātnieks, saka, ka magnetometrs lieliski spēj noteikt magnētiskās anomālijas — atšķirīgas Zemes magnētiskā lauka izmaiņas, ko izraisa magnētiski nogulsnes vai iežu veidojumi. Tādi jau ir detalizētas kartes no šīm anomālijām, ko radīja satelītu un zemes apsekojumi. Salīdzinot anomālijas, kas atklātas, izmantojot magnetometru, ar šīm kartēm, navigatori var noteikt, kur tās atrodas. Tā kā magnetometrs norāda arī magnētisko lauku orientāciju, kuģi un zemūdenes var tos izmantot, lai noteiktu, kurā virzienā tie virzās.

Ķīnas armija nepārprotami ir noraizējusies par draudiem tās GPS versijai, kas pazīstama kā BeiDou. Saskaņā ar CNAS ziņojumu, dažādos institūtos visā valstī tiek veikti pētījumi kvantu navigācijas un sensoru tehnoloģiju jomā.

Magnetometri tiek izmantoti ne tikai navigācijai, bet arī var noteikt un izsekot lielu metāla priekšmetu, piemēram, zemūdeņu, kustību, izmantojot svārstības, ko tie izraisa lokālajos magnētiskajos laukos. Tā kā magnetometri ir ļoti jutīgi, tos viegli traucē fona troksnis, tāpēc pagaidām tos izmanto noteikšanai tikai ļoti nelielos attālumos. Taču pagājušajā gadā Ķīnas Zinātņu akadēmija pieļāva, ka daži Ķīnas pētnieki ir atraduši veidu, kā to kompensēt, izmantojot kvantu tehnoloģiju. Tas varētu nozīmēt, ka ierīces nākotnē varētu izmantot, lai pamanītu zemūdenes daudz lielākos attālumos.

Stingra sacīkste

Vēl ir sākums, kad militāristi izmanto kvantu tehnoloģijas. Nav garantijas, ka tie labi darbosies mērogā vai konfliktsituācijās, kur būtiska ir absolūta uzticamība. Bet, ja viņiem izdosies, kvantu šifrēšana un kvantu radars varētu radīt īpaši lielu ietekmi. Kodu laušana un radars palīdzēja mainīt Otrā pasaules kara gaitu. Kvantu sakari var padarīt slepenu ziņojumu zagšanu daudz grūtāku vai neiespējamu. Kvantu radars padarītu slepenās lidmašīnas tikpat redzamas kā parastās lidmašīnas. Abas lietas mainītu spēli.

Ir arī pāragri spriest, vai kvantu bruņošanās sacensībā vadošā vieta būs Ķīna vai ASV, vai arī tas novedīs pie aukstā kara stila strupceļa. Taču nauda, ​​ko Ķīna iepludina kvantu pētījumos, liecina par tās apņēmību uzņemties vadību.

Ķīnai ir izdevies arī izkopt ciešas darba attiecības starp valdības pētniecības institūtiem, universitātēm un tādiem uzņēmumiem kā CSIC un CETC. Salīdzinājumam, ASV tikai tikko ir pieņēmusi tiesību aktus, lai izveidotu valsts plānu valsts un privātā sektora centienu koordinēšanai. Kavēšanās ar šādas pieejas pieņemšanu ir izraisījusi daudzus projektus un var palēnināt noderīgu militāro lietojumu izstrādi. Mēs cenšamies panākt, lai pētnieku kopiena vairāk izmantotu sistēmu pieeju, saka Brodskis, ASV armijas kvantu eksperts.

Tomēr ASV armijai ir dažas atšķirīgas priekšrocības salīdzinājumā ar PLA. Aizsardzības departaments ir ieguldījis kvantu izpētē ļoti ilgu laiku, tāpat kā ASV spiegu aģentūras. Iegūtās zināšanas palīdz izskaidrot, kāpēc ASV uzņēmumi ir vadošie tādās jomās kā jaudīgu kvantu datoru izstrāde, kas izmanto sapinušos kubitus, lai radītu milzīgu apstrādes jaudu.

Amerikas militārpersonas var arī izmantot darbu, ko veic tās sabiedrotie un dinamiska akadēmiskā pētniecības kopiena mājās. Piemēram, Baugh radaru izpēti finansē Kanādas valdība, un ASV plāno kopīgu pētniecības iniciatīvu ar saviem tuvākajiem militārajiem partneriem — Kanādu, Apvienoto Karalisti, Austrāliju un Jaunzēlandi — tādās jomās kā kvantu navigācija.

Tas viss ir devis ASV priekšrocību kvantu bruņošanās sacensībās. Taču Ķīnas iespaidīgie centieni pastiprināt kvantu pētniecību nozīmē, ka plaisa starp tiem strauji samazinās.

paslēpties