Virksomheder som Vector Atomic og Infleqtion hjælper militæret med at udnytte kvanteteknologier til at udvikle underjordisk sansning, sikker kommunikation og alternativer til GPS.
By Jeremy Bogaisky
Ifen spionballon svævende højt over USA er et eksempel på en teknologikrig fra det 19. århundrede, tænk på kvante som den nærmeste fremtid.
Pentagon har i årevis søgt efter nye måder at bruge kvantefysik til at føre krig på, hvad enten det drejer sig om at udvikle mere kraftfulde computere, at backstoppe GPS, styrke kommunikationssikkerheden eller skabe overvågningsmidler, der bedre kunne detektere nedsænkede ubåde og underjordiske bunkere. Det haster: Kina investerer også massivt i at fremme disse kapaciteter.
Tag for eksempel GPS. I tilfælde af en væbnet konflikt mellem USA og Kina, ville en af de første ting, begge sider ville sigte mod, være det andet lands globale positioneringssystem. Forestil dig kaoset på jorden og forvirringen på himlen uden det.
Forskere udvikler kvanteforstærkede navigationssystemer, der vil gøre det muligt for skibe og fly at holde kursen i tilfælde af en GPS-afbrydelse, samt styre missiler til deres mål mere præcist. En del af det indebærer at skabe mere nøjagtige atomure, da GPS er et timingsystem i sig selv - beregner forskellen i tid mellem satellitter og modtagere på jorden. Teknologien vil være klar inden for fem år, sagde Michael Hayduk, en vicedirektør for Air Force Research Laboratory.
"Dette vil ændre verden på ret bemærkelsesværdige måder, og du behøver ikke vente for længe på det," fortalte William Clark, fysiker og vicepræsident hos Infleqtion, en startup, der er en af de førende på området. Forbes.
KLAR ELLER EJ
Forsvarsministeriets vurdering af en række kvanteteknologiers beredskab og forventede militære effekt.
I sit teknologikapløb med Kina har Pentagon øget udgifterne til forskning og udvikling på mange områder, herunder kvantevidenskab. Regeringsorganer havde 918 millioner dollars at bruge på kvante-F&U i finansåret 2022, op fra 449 millioner dollars i 2019, med Air Force Research Laboratory, Defense Advanced Research Projects Agency og Office of Naval Research blandt de vigtigste finansieringskilder. Deres bidrag er blevet suppleret med stigende mængder af risikovillig kapital. Amerikanske kvantestartups optog $870 millioner i finansiering i 2022, ifølge Pitchbook, næsten det dobbelte af 2020.
Det meste af fokus har været på at udvikle kvantecomputere. Mens klassisk databehandling er baseret på "bits", der er enten en eller nul, bruger kvanteberegning subatomære partikler som "qubits." På grund af kvantefænomenet superposition kan qubits være én og nul på samme tid, eller proportioner derimellem, hvilket kunne tillade dem at blive brugt til hurtigt at løse komplekse problemer, der er uden for rækkevidde af nuværende maskiner.
Nyttige kvantecomputere kan være et årti eller mere væk, men noget af den underliggende forskning i at kontrollere individuelle atomer og fotoner er på nippet til at blive taget i brug til at lave mere nøjagtige sensorer, herunder dem, der sporer bevægelse, som accelerometre og gyroskoper, som samt enheder, der registrerer små ændringer i tyngdekraften og magnetfelter.
KVANTE SPRING
Militæret kigger på en række applikationer til kvanteteknologi.
Rapporter i 2017 af et kinesisk gennembrud inden for kvantemagnetometri rejste spekulationer om, at det kunne være i stand til at indsætte et luftbårent netværk af enheder til at opdage undervandsubåde på kilometers afstand. Mange eksperter er skeptiske, men på lang sigt forventes det, at kvantegravimetre og magnetometre vil være i stand til mere præcist at kortlægge underjordiske funktioner som olie- og mineralforekomster, grundvandsspejle, bunkere og tunneler.
Kryptografi
Truslen om gennembrud fra Kina inden for kvantecomputere har allerede en indvirkning på cybersikkerhed. Nationale sikkerhedsinsidere siger, at Kina og andre fjendtlige lande er indsamling af krypteret kommunikation og andre følsomme data fra USA og gemmer dem indtil den dag, hvor kvantecomputere er kraftige nok til at knække deres kryptering.
Sidste år tog Biden-administrationen og kongressen skridt til at presse regeringsorganer til at gå over til nye "post-kvante" kryptografiske metoder, der menes at være uindtagelige for kvantecomputere.
Kina tager et andet og dyrere greb om truslen om, at kvantekodeknækker. Landet har udviklet netværk på tusindvis af miles af fiberoptiske kabler, der forbinder større byer, der distribuerer tilfældige kvantenøgler via fotoner for at sikre kommunikation. På grund af kvantemekanikkens natur, menes det, at ethvert forsøg på at aflytte et sådant netværk ville ændre fotonerne og advare brugerne. Kina er også det første land, der demonstrerer kvantenøgledistribution via satellit.
På grund af disse bestræbelser har Kina trukket sig foran USA inden for kvantekommunikation, en RAND undersøgelse afsluttet sidste år. USA er førende inden for kvanteberegning, mens det er uklart, om nogen af dem har en fordel inden for sansning, skrev RAND-forskerne.
Timing og navigation
Den nuværende generation af satellit-GPS kan kun estimere placeringer inden for tre meter. Kvantefysik ville give mulighed for mere præcision.
I laboratorier har forskere udviklet mere nøjagtige atomure i rumstørrelse baseret på optiske lasere, der ville miste et sekund efter milliarder af år. Vector Atomic er blandt en håndfuld virksomheder, der arbejder på at udvikle mindre, mere robuste ure til daglig brug i marken, og bytter den banebrydende ydeevne fra laboratoriegennembrud for pålidelighed og praktisk.
Sidste sommer ved de multinationale Rim of the Pacific (RIMPAC) flådeøvelser sagde den californiske startup, at den demonstrerede skibsbårne optiske ure i en relativt kompakt 40-liters pakke, der drev fra nøjagtigheden med 10 billioner af et sekund efter cirka en time. Nuværende GPS-satellit-ure driver så meget efter 20 sekunder.
Den slags forbedringer kan have en lang række fordele. GPS ville forblive nøjagtig med mindre hyppige opdateringer af satellitbaserede ure fra jorden. Parret med satellitter med lav kredsløb om Jorden, som ville bringe GPS-signaler tættere på, ville mere præcis timing forbedre nøjagtigheden til inden for centimeter. Det ville for eksempel betyde, at GPS kunne holde førerløse køretøjer i deres vognbaner.
Bedre timing ville også give mulighed for mere effektiv brug af mobilnetværk og andre trådløse netværk, og pakke flere brugere ind i et spektrum, der i øjeblikket betragtes som meget overbelastet.
Bærbare atomure kunne sættes på fly eller landkøretøjer. Det ville gøre det muligt for amerikanske styrker at opbygge midlertidige lokale GPS-netværk omkring slagmarker med kommunikationssignaler, der ville være for stærke til at forstyrre, mens USA blokerede fjendens rumbaserede navigationssystemer, sagde Vector Atomic CEO Jamil Abo-Shaeer, der styrede kvanteprogrammer på DARPA fra 2010 til 2014.
Virksomheden, som ikke har taget nogen risikovillig finansiering, mens den har indsamlet over 50 millioner dollars i statslige forskningskontrakter, arbejder på projekter med flåden og DARPA for at skrumpe sine ure, så de er mindre end håndbagage.
Også på RIMPAC demonstrerede Vector Atomic et kompakt kvantegravimeter parret med et standard inertial navigationssystem, der lover at tillade flådeskibe at navigere uden GPS. Enheden måler små ændringer i den lokale tyngdekraft på grund af variationer i undersøisk terræn. Ved at sammenligne målingerne med et gravitationskort var enheden i stand til at korrigere for drift i skibets inerti-navigationssystem for præcist at fastsætte fartøjets placering over tre ugers brug, sagde Abo-Shaeer.
Virksomheden tror på, at den om to til tre år vil kunne begynde at kommercialisere en energieffektiv version, der er lille nok til at passe i en bils bagagerum.
Flere andre virksomheder arbejder på kvanteinertisensorer, herunder Australien-baserede Q-CTRL, som planlægger en feltdemonstration i midten af 2023 af et kvanteaktiveret navigationssystem med partneren Advanced Navigation. Colorado-baserede Infleqtion er en del af et britisk projekt for at udvikle et Quantum Positioning System til individuelle køretøjer. Et kvantegyroskop, som virksomheden bygger til initiativet, vil blive testet i 2024.
Kommunikation
Med DARPA-finansiering udvikler Infleqtion, som sidste år skiftede navn fra ColdQuanta, også kvanteradiomodtagere til at erstatte parabolantenner. De kan indstilles til frekvenser på tværs af spektret, fra HF- og UHF-båndene, der bruges af militære taktiske radioer, til K-båndet, der bruges af SpaceX's Starlink satellitbredbåndsnetværk. Teknologien vil gøre det muligt for én enhed at erstatte, hvad ti forskellige modtagersæt gør i dag, sagde Clark.
I 2025 planlægger virksomheden at demonstrere en seksbåndsmodtager i lommestørrelse med lasere og back-end-elektronik, der er krympet ned til størrelsen af en lille skoæske.
Længere ude sagde Clark, at lignende teknologi kan bruges til at skabe en afstembar multibåndssender. "Det ville være den hellige gral," fortalte han Forbes. "Det ville være som din Star Trek-kommunikator, fuld transmission og modtagelse i en lille enhed."
Konkurrence
Mens Sovjetunionen producerede nogle af de største teoretiske fysikere i det 20. århundrede, er der ikke mange tegn på, at Rusland udvikler betydelige kvanteteknologier i dag, fortalte RAND-forsker Edward Parker. Forbes.
Kinas arbejde med kvanteteknologi er koncentreret i store nationale laboratorier. Det kan sætte det i en ulempe ved kommercialisering af kvantesensorer sammenlignet med USA, med dets udvalg af private virksomheder, sagde Parker.
"De reelle fremskridt inden for kvantesansning, der skal gøres nu, er ikke nødvendigvis laboratoriearbejde eller akademisk arbejde, men i at få det feltbart," sagde Parker. "Det er uklart for mig, om de har den private sektors infrastruktur til at udføre den slags slemt arbejde."
MERE FRA FORBES
Kilde: https://www.forbes.com/sites/jeremybogaisky/2023/02/13/the-spy-balloon-is-just-the-start-venture-capital-joins-pentagon-in-spending-big- at forpurre-kina-i-kvanteteknologi-krig/