Firmy takie jak Vector Atomic i Infleqtion pomagają wojsku wykorzystać technologie kwantowe do opracowania podziemnych czujników, bezpiecznej komunikacji i alternatyw dla GPS.
By Jeremy Bogajski
Ifpływający balon szpiegowski wysoko nad Stanami Zjednoczonymi jest przykładem XIX-wiecznej wojny technologicznej, pomyśl o kwantowej przyszłości.
Pentagon od lat szuka nowych sposobów wykorzystania fizyki kwantowej do prowadzenia wojny, niezależnie od tego, czy chodzi o opracowywanie potężniejszych komputerów, blokowanie GPS, wzmacnianie bezpieczeństwa komunikacji czy tworzenie środków nadzoru, które mogłyby lepiej wykrywać zanurzone łodzie podwodne i podziemne bunkry. Jest to pilne: Chiny również dużo inwestują w rozwój tych zdolności.
Weźmy na przykład GPS. W przypadku konfliktu zbrojnego między Stanami Zjednoczonymi a Chinami, jednym z pierwszych celów obu stron byłby globalny system pozycjonowania drugiego kraju. Wyobraź sobie chaos na ziemi i zamieszanie na niebie bez niego.
Naukowcy opracowują ulepszone kwantowo systemy nawigacyjne, które umożliwiłyby statkom i samolotom utrzymywanie kursu w przypadku awarii GPS, a także dokładniejsze kierowanie pocisków do celu. Częściowo wiąże się to z tworzeniem dokładniejszych zegarów atomowych, ponieważ GPS jest w istocie systemem pomiaru czasu — obliczającym różnicę czasu między satelitami a odbiornikami naziemnymi. Technologia będzie gotowa w ciągu pięciu lat - powiedział Michael Hayduk, zastępca dyrektora Laboratorium Badawczego Sił Powietrznych.
„To zmieni świat w dość niezwykły sposób i nie trzeba na to czekać zbyt długo” – powiedział William Clark, fizyk i wiceprezes Infleqtion, startupu, który jest jednym z liderów w tej dziedzinie Forbes.
GOTOWY CZY NIE
Ocena Departamentu Obrony dotycząca gotowości i spodziewanego wpływu militarnego szeregu technologii kwantowych.
W wyścigu technologicznym z Chinami Pentagon zwiększył wydatki na badania i rozwój w wielu dziedzinach, w tym w naukach kwantowych. Agencje rządowe miały 918 milionów dolarów do wydania na kwantowe badania i rozwój w roku podatkowym 2022, w porównaniu z 449 milionami dolarów w 2019 roku, z Laboratorium Badawczym Sił Powietrznych, Agencją Zaawansowanych Projektów Badawczych w Obronie i Biurem Badań Marynarki Wojennej wśród głównych fundatorów. Ich wkład został uzupełniony rosnącymi kwotami kapitału podwyższonego ryzyka. Amerykańskie startupy kwantowe pochłonęły 870 milionów dolarów finansowania w 2022 roku, według Pitchbooka, prawie dwukrotnie więcej niż w 2020 roku.
Większość uwagi poświęcono rozwojowi komputerów kwantowych. Podczas gdy klasyczne obliczenia opierają się na „bitach”, które wynoszą jeden lub zero, obliczenia kwantowe wykorzystują cząstki subatomowe jako „kubity”. Ze względu na kwantowe zjawisko superpozycji kubity mogą mieć jednocześnie jedynkę i zero lub proporcje pośrednie, co mogłoby pozwolić na ich wykorzystanie do szybkiego rozwiązywania złożonych problemów, które są poza zasięgiem obecnych maszyn.
Przydatne komputery kwantowe mogą być odległe o dekadę lub więcej, ale niektóre z podstawowych badań nad kontrolowaniem pojedynczych atomów i fotonów są bliskie wykorzystania do tworzenia dokładniejszych czujników, w tym takich, które śledzą ruch, takich jak akcelerometry i żyroskopy. a także urządzenia wykrywające niewielkie zmiany siły grawitacji i pól magnetycznych.
SKOK KWANTOWY
Wojsko przygląda się szeregowi zastosowań technologii kwantowej.
Sprawozdania w 2017 roku Chiński przełom w magnetometrii kwantowej wzbudził spekulacje, że może być w stanie rozmieścić powietrzną sieć urządzeń do wykrywania podwodnych łodzi podwodnych z odległości wielu mil. Wielu ekspertów jest sceptycznych, ale oczekuje się, że w dłuższej perspektywie grawimetry kwantowe i magnetometry będą w stanie dokładniej mapować obiekty podziemne, takie jak złoża ropy i minerałów, lustra wody, bunkry i tunele.
Kryptografia
Groźba przełomu dokonanego przez Chiny w komputerach kwantowych ma już wpływ na cyberbezpieczeństwo. Znawcy bezpieczeństwa narodowego twierdzą, że są to Chiny i inne wrogie kraje gromadzenie zaszyfrowanej komunikacji i inne wrażliwe dane z USA i przechowywanie ich do dnia, w którym komputery kwantowe będą wystarczająco potężne, aby złamać ich szyfrowanie.
W zeszłym roku administracja i Kongres Bidena podjęły kroki, aby skłonić agencje rządowe do przejścia na nowe „postkwantowe” metody kryptograficzne, które uważa się za nie do pokonania dla komputerów kwantowych.
Chiny przyjmują inną i droższą taktykę wobec zagrożenia łamaniem kodu kwantowego. Kraj rozwinął sieci tysięcy kilometrów kabli światłowodowych łączących główne miasta, które rozprowadzają losowe klucze kwantowe za pośrednictwem fotonów w celu bezpiecznej komunikacji. Ze względu na naturę mechaniki kwantowej uważa się, że każda próba podsłuchania takiej sieci zmieni fotony, ostrzegając użytkowników. Chiny są również pierwszym krajem, który zademonstrował dystrybucję klucza kwantowego przez satelitę.
Dzięki tym wysiłkom Chiny wyprzedziły Stany Zjednoczone w komunikacji kwantowej, a badanie RAND zawarta w ubiegłym roku. Stany Zjednoczone przodują w obliczeniach kwantowych, chociaż nie jest jasne, czy któryś z nich ma przewagę w wykrywaniu, napisali naukowcy z RAND.
Czas i nawigacja
Obecna generacja satelitarnego GPS może oszacować położenie tylko z dokładnością do trzech metrów. Fizyka kwantowa pozwoliłaby na większą precyzję.
W laboratoriach naukowcy opracowali dokładniejsze zegary atomowe wielkości pomieszczenia, oparte na laserach optycznych, które traciłyby sekundę po miliardach lat. Vector Atomic jest jedną z nielicznych firm pracujących nad rozwojem mniejszych, bardziej wytrzymałych zegarów do codziennego użytku w terenie, wymieniając najnowocześniejszą wydajność przełomowych odkryć laboratoryjnych na niezawodność i praktyczność.
Zeszłego lata podczas międzynarodowych ćwiczeń morskich Rim of the Pacific (RIMPAC), kalifornijski startup powiedział, że zademonstrował pokładowe zegary optyczne w stosunkowo kompaktowym 40-litrowym opakowaniu, które po mniej więcej godzinie dryfowało od dokładności o 10 bilionowych części sekundy. Obecne zegary satelitarne GPS dryfują tak bardzo po 20 sekundach.
Taka poprawa może przynieść wiele korzyści. GPS pozostałby dokładny przy rzadszych aktualizacjach zegarów satelitarnych z ziemi. W połączeniu z satelitami o niskiej orbicie okołoziemskiej, które zbliżyłyby sygnały GPS, dokładniejszy czas poprawiłby dokładność do centymetrów. Oznaczałoby to na przykład, że GPS mógłby utrzymywać pojazdy bez kierowcy na swoich pasach ruchu.
Lepsze wyczucie czasu pozwoliłoby również na bardziej efektywne wykorzystanie sieci komórkowych i innych sieci bezprzewodowych, umieszczając więcej użytkowników w widmie, które obecnie uważa się za bardzo przeciążone.
Przenośne zegary atomowe można było umieścić na samolotach lub pojazdach naziemnych. Pozwoliłoby to siłom amerykańskim na zbudowanie tymczasowych lokalnych sieci GPS wokół pól bitew z sygnałami komunikacyjnymi, które byłyby zbyt silne, aby je zakłócać, podczas gdy Stany Zjednoczone blokowały systemy nawigacji kosmicznej wroga, powiedział dyrektor generalny Vector Atomic, Jamil Abo-Shaeer, który zarządzał programami kwantowymi w DARPA. od 2010 do 2014 roku.
Firma, która nie korzystała z żadnych funduszy venture capital, jednocześnie zdobywając ponad 50 milionów dolarów rządowych kontraktów badawczych, pracuje nad projektami z Marynarką Wojenną i DARPA, aby zmniejszyć swoje zegary, tak aby były mniejsze niż bagaż podręczny.
Również na targach RIMPAC firma Vector Atomic zademonstrowała kompaktowy grawimetr kwantowy w połączeniu ze standardowym systemem nawigacji bezwładnościowej, który ma umożliwić statkom marynarki wojennej nawigację bez GPS. Urządzenie mierzy niewielkie zmiany lokalnej siły grawitacji spowodowane zmianami terenu podwodnego. Porównując pomiary z mapą grawitacyjną, urządzenie było w stanie skorygować dryf w systemie nawigacji bezwładnościowej statku, aby dokładnie ustalić położenie statku w ciągu trzech tygodni użytkowania, powiedział Abo-Shaeer.
Firma wierzy, że za dwa, trzy lata będzie mogła rozpocząć komercjalizację energooszczędnej wersji na tyle małej, by zmieścić się w bagażniku samochodu.
Kilka innych firm pracuje nad kwantowymi czujnikami bezwładnościowymi, w tym australijska firma Q-CTRL, która planuje demonstrację w terenie w połowie 2023 r. kwantowego systemu nawigacji z partnerem Advanced Navigation. Infleqtion z siedzibą w Kolorado jest częścią brytyjskiego projektu mającego na celu opracowanie Quantum Positioning System dla poszczególnych pojazdów. Żyroskop kwantowy, który firma buduje w ramach inicjatywy, zostanie przetestowany w locie w 2024 roku.
Komunikacja
Dzięki finansowaniu DARPA firma Infleqtion, która w zeszłym roku zmieniła nazwę z ColdQuanta, opracowuje również kwantowe odbiorniki radiowe, które mają zastąpić anteny satelitarne. Można je dostroić do częstotliwości w całym spektrum, od pasm HF i UHF używanych przez taktyczne radia wojskowe do pasma K używanego przez szerokopasmową sieć satelitarną Starlink firmy SpaceX. Technologia pozwoli jednemu urządzeniu zastąpić to, co robi dziś dziesięć różnych zestawów odbiorników, powiedział Clark.
Do 2025 roku firma planuje zademonstrować kieszonkowy sześciopasmowy odbiornik z laserami i elektroniką zaplecza, zmniejszony do rozmiaru małego pudełka po butach.
Co więcej, Clark powiedział, że podobna technologia może zostać wykorzystana do stworzenia przestrajalnego nadajnika wielopasmowego. „To byłby Święty Graal” – powiedział Forbes. „Byłoby to jak twój komunikator Star Trek, pełne nadawanie i odbiór w małym urządzeniu”.
Konkurs
Podczas gdy Związek Radziecki wydał jednych z największych fizyków teoretycznych XX wieku, niewiele wskazuje na to, że Rosja rozwija dziś znaczące technologie kwantowe, powiedział Edward Parker, badacz RAND Forbes.
Prace Chin nad technologią kwantową koncentrują się w dużych krajowych laboratoriach. To może postawić go w niekorzystnej sytuacji w komercjalizacji czujników kwantowych w porównaniu z USA, z szeregiem prywatnych firm, powiedział Parker.
„Prawdziwy postęp w wykrywaniu kwantowym, który można teraz osiągnąć, niekoniecznie polega na pracy laboratoryjnej lub akademickiej, ale na przygotowaniu go do użytku” – powiedział Parker. „Nie jest dla mnie jasne, czy dysponują infrastrukturą sektora prywatnego do wykonywania tego rodzaju drobiazgowej pracy”.
WIĘCEJ OD FORBES
Źródło: https://www.forbes.com/sites/jeremybogaisky/2023/02/13/the-spy-balloon-is-just-the-start-venture-capital-joins-pentagon-in-spending-big- udaremnić-chiny-w-wojnie-technicznej-kwantowej/