JAV ir Kinija dalyvauja kvantinėse ginklavimosi varžybose, kurios pakeis karą

Mike'as McQuade'as

Aštuntajame dešimtmetyje, Šaltojo karo įkarštyje, amerikiečių kariniai planuotojai pradėjo nerimauti dėl grėsmės JAV karo lėktuvams dėl naujų, radaru valdomų raketų gynybos sistemų SSRS ir kitose šalyse. Reaguodamos į tai, inžinieriai tokiose vietose kaip JAV gynybos milžinės „Lockheed Martin“ garsusis „Skunk Works“ suaktyvino darbą su slaptomis technologijomis, kurios galėtų apsaugoti orlaivius nuo smalsių priešo radarų.

Sukurtos naujovės apima neįprastas formas, nukreipias radaro bangas, pavyzdžiui, JAV bombonešio B-2 skraidančio sparno konstrukcija (aukščiau), taip pat anglies pagrindu pagamintas medžiagas ir naujus dažus. Stealth technologija dar nėra į Harį Poterį panašus nematomas apsiaustas: net ir šiuolaikiniai pažangiausi karo lėktuvai vis dar atspindi kai kurias radaro bangas. Tačiau šie signalai yra tokie maži ir silpni, kad pasimeta foniniame triukšme ir leidžia orlaiviui prasilenkti nepastebimai.

Kinija ir Rusija nuo to laiko įsigijo savo slaptus orlaivius, tačiau Amerika vis tiek yra geresni. Jie suteikė JAV pranašumą pradėdama netikėtus išpuolius tokiose kampanijose kaip karas Irake, prasidėjęs 2003 m.

Šiam pranašumui dabar iškilo grėsmė. 2018 m. lapkritį „China Electronics Technology Group Corporation“ (CETC), didžiausia Kinijos gynybos elektronikos įmonė, pristatė radaro prototipą, kuris, jos teigimu, gali aptikti skrendančius slaptus orlaivius. Radaras naudoja kai kuriuos egzotiškus kvantinės fizikos reiškinius, kad padėtų atskleisti lėktuvų vietas.

Tai tik viena iš kelių kvantinių technologijų įkvėptų technologijų, galinčių pakeisti karo veidą. Be neslepiančių orlaivių, jie galėtų sustiprinti mūšio lauko ryšių saugumą ir paveikti povandeninių laivų gebėjimą nepastebėti plaukioti vandenynais. Šių technologijų siekimas sukelia naujas ginklavimosi varžybas tarp JAV ir Kinijos, kuri besiformuojančią kvantinę erą mato kaip kartą gyvenime pasitaikančią galimybę įgyti pranašumą prieš savo varžovą karinių technologijų srityje.

Slaptas stebėtojas

Kaip greitai kvantinė pažanga paveiks karinę galią, priklausys nuo tokių tyrinėtojų kaip Jonathano Baugh darbo. Voterlo universiteto Kanadoje profesorius Baughas dirba su įrenginiu, kuris yra didesnio kvantinio radaro kūrimo projekto dalis. Numatyti naudotojai: stotys Arktyje, kurias valdo Šiaurės Amerikos aerokosminės gynybos vadavietė arba NORAD, jungtinė JAV ir Kanados organizacija.

Baugh mašina generuoja susipynusių fotonų poras – tai reiškinys, reiškiantis, kad šviesos dalelės turi vieną kvantinę būseną. Vieno fotono pasikeitimas iš karto įtakoja kito fotono būseną, net jei juos skiria dideli atstumai.

Kvantinis radaras veikia paimdamas vieną fotoną iš kiekvienos sugeneruotos poros ir iššaudydamas jį mikrobangų spinduliu. Kitas fotonas iš kiekvienos poros yra sulaikomas radaro sistemoje.

Įranga iš prototipo kvantinio radaro sistemos, kurią pagamino China Electronics Technology Group Corporation Imaginechina per AP Images

Tik keli iš išsiųstų fotonų atsispindės atgal, jei jie pataikys į slaptą orlaivį. Įprastas radaras negalėtų atskirti šių grįžtančių fotonų nuo kitų gaunamų fotonų masės, kurią sukuria gamtos reiškiniai arba radarus trukdantys įrenginiai. Tačiau kvantinis radaras gali patikrinti, ar nėra įrodymų, kad įeinantys fotonai yra įsipainioję su sulaikytais fotonais. Visi, kurie yra, turi būti kilę iš radaro stoties. Tai leidžia aptikti net silpniausius grįžtančius signalus foninio triukšmo masėje.

Baughas įspėja, kad vis dar yra didelių inžinerinių iššūkių. Tai apima labai patikimų įsipainiojusių fotonų srautų kūrimą ir ypač jautrių detektorių kūrimą. Sunku žinoti, ar CETC, kuri jau 2016 m. teigė, kad jos radaras gali aptikti objektus iki 100 kilometrų (62 mylių) atstumu, išsprendė šiuos iššūkius; technines prototipo detales laiko paslaptyje.

Sethas Lloydas, MIT profesorius, sukūręs teoriją, kuria grindžiamas kvantinis radaras, sako, kad nesant tvirtų įrodymų, jis skeptiškai vertina Kinijos bendrovės teiginius. Tačiau jis priduria, kad kvantinio radaro potencialas nekelia abejonių. Kai pagaliau bus įdiegtas visiškai veikiantis įrenginys, tai bus slaptos eros pabaigos pradžia.

Kinijos ambicijos

CETC darbas yra dalis ilgalaikių Kinijos pastangų tapti pasauline kvantinių technologijų lydere. Šalis dosniai finansuoja naujus kvantinių tyrimų centrus universitetuose ir stato nacionalinį kvantinio mokslo tyrimų centrą, kuris turėtų būti atidarytas 2020 m. Ji jau gerokai aplenkė JAV pagal kvantinių ryšių ir kriptografijos patentų registravimą (žr. diagramą).

Kinijos kvantinės strategijos tyrimas 2018 m. rugsėjį paskelbė JAV ekspertų grupė Naujojo Amerikos saugumo centras (CNAS), pažymėjo, kad Kinijos liaudies išlaisvinimo armija (PLA) samdo kvantinius specialistus ir kad tokios didelės gynybos įmonės, kaip Kinijos laivų statybos pramonės korporacija (CSIC), yra universitetuose steigiant bendras kvantines laboratorijas. Vis dėlto sunku tiksliai išsiaiškinti, kurie projektai turi karinį elementą. Čia yra tam tikras neskaidrumas ir dviprasmiškumas, o kai kurie iš jų gali būti sąmoningi, sako Elsa Kania, CNAS tyrimo bendraautorė.

Kinijos pastangos didėja, kai didėja baimė, kad JAV kariuomenė praranda savo konkurencinį pranašumą. Kongreso įgaliota komisija peržiūrėti Trumpo administracijos gynybos strategiją pranešimas 2018 m. lapkritį perspėjo, kad JAV pranašumas labai sumažėjo pagrindinėse srityse, ir paragino daugiau investuoti į naujas mūšio lauko technologijas.

Viena iš tų technologijų greičiausiai bus kvantinio ryšio tinklai. Kinijos mokslininkai jau sukūrė palydovą, galintį siųsti kvantiniu būdu šifruotus pranešimus tarp tolimų vietų, taip pat antžeminį tinklą, besidriekiantį tarp Pekino ir Šanchajaus. Abu projektus plėtojo mokslininkai, tačiau žinias ir infrastruktūrą būtų galima nesunkiai pritaikyti kariniams tikslams.

Tinklai remiasi metodu, žinomu kaip kvantinio rakto paskirstymas (QKD). Pranešimai koduojami klasikinių bitų pavidalu, o jiems iškoduoti reikalingi kriptografiniai raktai siunčiami kaip kvantiniai bitai arba kubitai. Šie kubitai paprastai yra fotonai, kurie gali lengvai keliauti šviesolaidiniais tinklais arba per atmosferą. Jei priešas bando perimti ir perskaityti kubitus, tai iš karto sunaikina jų subtilią kvantinę būseną, ištrina informaciją, kurią jie nešiojasi, ir paliks įspėjamąjį įsibrovimo ženklą.

QKD technologija dar nėra visiškai saugi. Ilgiems antžeminiams tinklams reikalingos kelio stotys, panašios į kartotuvus, kurie padidina signalus įprastu duomenų kabeliu. Šiose stotyse klavišai iššifruojami į klasikinę formą, prieš tai pakartotinai užkoduojami kvantine forma ir siunčiami į kitą stotį. Nors raktai yra klasikinės formos, priešas gali įsilaužti ir nukopijuoti juos nepastebėtas.

Kad išspręstų šią problemą, JAV armijos tyrimų laboratorijos Adelfyje, Merilando valstijoje, mokslininkų komanda kuria metodą, vadinamą kvantine teleportacija. Tai apima susipainiojimą duomenims perduoti tarp siuntėjo laikomo kubito ir imtuve laikomo kubito, naudojant tam tikrą virtualų, vienkartinį kvantinių duomenų kabelį. (Čia yra išsamesnis aprašymas.)

Michaelas Brodskis, vienas iš tyrėjų, sako, kad jis ir jo kolegos dirbo su daugybe techninių iššūkių, įskaitant ieškojimą būdų, kaip užtikrinti, kad subtili kubitų kvantinė būsena nebūtų sutrikdyta perduodant šviesolaidiniais tinklais. Ši technologija vis dar naudojama laboratorijoje, tačiau komanda teigia, kad dabar ji pakankamai tvirta, kad būtų galima išbandyti lauke. Lentynas galima pastatyti ant sunkvežimių, o sunkvežimius perkelti į lauką, – aiškina Brodskis.

Netrukus Kinija išbandys savo kvantinės teleportacijos sistemą. Tyrėjai jau kuria šviesolaidinį tinklą, kuris tęsis nuo Zhuhai miesto, esančio netoli Makao, iki kai kurių Honkongo salų.

Kvantinis kompasas

Tyrėjai taip pat tiria kvantinius metodus, kad kariuomenei pateiktų tikslesnius ir patikimesnius navigacijos įrankius. JAV lėktuvai ir karinio jūrų laivyno laivai jau remiasi tiksliais atominiais laikrodžiais, padedančiais sekti, kur jie yra. Tačiau jie taip pat tikisi signalų iš Pasaulinės padėties nustatymo sistemos (GPS), palydovų tinklo, skriejančio aplink Žemę. Tai kelia pavojų, nes priešas gali suklastoti arba suklastoti GPS signalus arba visiškai juos užstrigti.

„Lockheed Martin“ mano, kad amerikiečių jūreiviai galėtų naudoti kvantinį kompasą, pagrįstą mikroskopiniais sintetiniais deimantais su atominiais trūkumais, vadinamais azoto laisvų vietų centrais arba NV centrais. Šiuos kvantinius deimantinės gardelės defektus galima panaudoti, kad būtų suformuotas itin tikslus magnetometras. Lazeriu apšviečiant deimantus su NV centrais jie skleidžia šviesą tokiu intensyvumu, kuris skiriasi priklausomai nuo aplinkinio magnetinio lauko.

Wikimedia Commons

Nedas Allenas, vyriausiasis Lockheed mokslininkas, teigia, kad magnetometras puikiai aptinka magnetines anomalijas – išskirtinius Žemės magnetinio lauko pokyčius, kuriuos sukelia magnetinės nuosėdos ar uolienų dariniai. Jau yra detalūs žemėlapiai iš šių anomalijų, padarytų atliekant palydovinius ir antžeminius tyrimus. Palyginę anomalijas, aptiktas naudojant magnetometrą su šiais žemėlapiais, navigatoriai gali nustatyti, kur jie yra. Kadangi magnetometras taip pat rodo magnetinių laukų orientaciją, laivai ir povandeniniai laivai gali juos naudoti norėdami išsiaiškinti, kuria kryptimi jie juda.

Kinijos kariuomenė aiškiai nerimauja dėl grėsmių jos pačios GPS versijai, žinomai kaip BeiDou. Remiantis CNAS ataskaita, įvairiuose šalies institutuose atliekami kvantinės navigacijos ir jutimo technologijų tyrimai.

Magnetometrai ne tik naudojami navigacijai, bet ir gali aptikti ir sekti didelių metalinių objektų, pvz., povandeninių laivų, judėjimą pagal jų sukeliamus vietinių magnetinių laukų svyravimus. Kadangi magnetometrai yra labai jautrūs, juos lengvai trikdo foninis triukšmas, todėl kol kas jie naudojami aptikimui tik labai nedideliais atstumais. Tačiau praėjusiais metais Kinijos mokslų akademija leido suprasti, kad kai kurie Kinijos mokslininkai rado būdą, kaip tai kompensuoti naudojant kvantines technologijas. Tai gali reikšti, kad prietaisai ateityje gali būti naudojami povandeniniams laivams aptikti daug didesniu atstumu.

Įtemptos lenktynės

Kariuomenei kvantines technologijas naudoti dar tik ankstyvos dienos. Nėra garantijos, kad jie gerai veiks dideliu mastu arba konfliktinėse situacijose, kai būtinas absoliutus patikimumas. Tačiau jei jiems pasiseks, kvantinis šifravimas ir kvantinis radaras gali padaryti ypač didelį poveikį. Kodų laužymas ir radaras padėjo pakeisti Antrojo pasaulinio karo eigą. Dėl kvantinių ryšių slaptų pranešimų pavogimas gali būti daug sunkesnis arba neįmanomas. Kvantinis radaras padarytų slaptus lėktuvus taip pat matomus kaip ir įprastus. Abu dalykai pakeistų žaidimą.

Taip pat dar per anksti pasakyti, ar kvantinio ginklavimosi lenktynėse pirmauja Kinija ar JAV, ar tai sukels šaltojo karo stiliaus aklavietę. Tačiau pinigai, kuriuos Kinija skiria kvantiniams tyrimams, yra ženklas, kaip ji pasiryžusi imtis iniciatyvos.

Kinijai taip pat pavyko užmegzti glaudžius darbo santykius tarp vyriausybinių tyrimų institutų, universitetų ir įmonių, tokių kaip CSIC ir CETC. Palyginimui, JAV tik ką tik priėmė įstatymą, kuriuo sukuriamas nacionalinis viešųjų ir privačių pastangų koordinavimo planas. Dėl delsimo taikyti tokį metodą daug projektų buvo nevykdomi ir gali sulėtinti naudingų karinių programų kūrimą. Mes stengiamės, kad mokslinių tyrimų bendruomenė labiau imtųsi sisteminio požiūrio, sako Brodskis, JAV armijos kvantų ekspertas.

Vis dėlto JAV kariuomenė turi tam tikrų pranašumų prieš PLA. Gynybos departamentas, kaip ir JAV šnipų agentūros, labai ilgą laiką investuoja į kvantinius tyrimus. Sukurtos žinios padeda paaiškinti, kodėl JAV įmonės pirmauja tokiose srityse kaip galingų kvantinių kompiuterių kūrimas, kurie panaudoja įsipainiojusius kubitus, kad generuotų milžinišką apdorojimo galią.

Amerikos kariuomenė taip pat gali pasinaudoti savo sąjungininkų ir gyvybinga akademinių tyrimų bendruomene namuose atliekamu darbu. Pavyzdžiui, Baugh radarų tyrimus finansuoja Kanados vyriausybė, o JAV planuoja bendrą mokslinių tyrimų iniciatyvą su artimiausiais kariniais partneriais – Kanada, JK, Australija ir Naująja Zelandija – tokiose srityse kaip kvantinė navigacija.

Visa tai suteikė JAV pranašumą kvantinėse ginklavimosi varžybose. Tačiau įspūdingos Kinijos pastangos patobulinti kvantinius tyrimus reiškia, kad atotrūkis tarp jų greitai mažėja.

paslėpti