211service.com
De VS en China bevinden zich in een kwantumwapenwedloop die oorlogvoering zal transformeren
Mike McQuade
In de jaren zeventig, op het hoogtepunt van de Koude Oorlog, begonnen Amerikaanse militaire planners zich zorgen te maken over de bedreiging voor Amerikaanse gevechtsvliegtuigen door nieuwe, radargestuurde raketverdediging in de USSR en andere landen. Als reactie daarop voerden ingenieurs op plaatsen zoals de beroemde Skunk Works van de Amerikaanse defensiegigant Lockheed Martin meer werk aan stealth-technologie die vliegtuigen kon beschermen tegen de nieuwsgierige blikken van vijandelijke radar.
De innovaties die hieruit voortkwamen, omvatten ongebruikelijke vormen die radargolven afbuigen - zoals het vliegende vleugelontwerp van de Amerikaanse B-2 bommenwerper (hierboven) - evenals op koolstof gebaseerde materialen en nieuwe verven. Stealth-technologie is nog geen Harry Potter-achtige onzichtbaarheidsmantel: zelfs de meest geavanceerde gevechtsvliegtuigen van vandaag reflecteren nog steeds enkele radargolven. Maar deze signalen zijn zo klein en zwak dat ze verloren gaan in achtergrondgeluid, waardoor het vliegtuig onopgemerkt kan passeren.
China en Rusland hebben sindsdien hun eigen stealth-vliegtuigen gekregen, maar die van Amerika zijn nog steeds beter. Ze hebben de VS het voordeel gegeven bij het lanceren van verrassingsaanvallen in campagnes zoals de oorlog in Irak die in 2003 begon.
Dit voordeel komt nu in gevaar. In november 2018 onthulde China Electronics Technology Group Corporation (CETC), China's grootste bedrijf op het gebied van defensie-elektronica, een prototype-radar waarvan het beweert dat het stealth-vliegtuigen tijdens de vlucht kan detecteren. De radar gebruikt enkele van de exotische verschijnselen van de kwantumfysica om de locaties van vliegtuigen te onthullen.
Het is slechts een van de vele op kwantum geïnspireerde technologieën die het aanzien van oorlogsvoering kunnen veranderen. Ze kunnen niet alleen vliegtuigen stelen, maar ook de veiligheid van communicatie op het slagveld versterken en het vermogen van onderzeeërs om onopgemerkt door de oceanen te navigeren, beïnvloeden. Het nastreven van deze technologieën leidt tot een nieuwe wapenwedloop tussen de VS en China, die het opkomende kwantumtijdperk ziet als een once-in-a-lifetime kans om de voorsprong op zijn rivaal in militaire technologie te krijgen.
Stealth spotter
Hoe snel kwantumvooruitgang de militaire macht zal beïnvloeden, hangt af van het werk van onderzoekers zoals Jonathan Baugh. Baugh, professor aan de Universiteit van Waterloo in Canada, werkt aan een apparaat dat deel uitmaakt van een groter project om kwantumradar te ontwikkelen. De beoogde gebruikers: stations in het noordpoolgebied die worden beheerd door het North American Aerospace Defense Command, of NORAD, een gezamenlijke Amerikaans-Canadese organisatie.
De machine van Baugh genereert paren fotonen die verstrengeld zijn - een fenomeen dat betekent dat de lichtdeeltjes een enkele kwantumtoestand delen. Een verandering in het ene foton heeft onmiddellijk invloed op de toestand van het andere, zelfs als ze over grote afstanden van elkaar verwijderd zijn.
Quantumradar werkt door van elk gegenereerd paar één foton te nemen en dit in een microgolfstraal af te vuren. Het andere foton van elk paar wordt tegengehouden in het radarsysteem.
Apparatuur van een prototype kwantumradarsysteem gemaakt door China Electronics Technology Group Corporation Imaginechina via AP Images
Slechts een paar van de uitgezonden fotonen worden teruggekaatst als ze een stealth-vliegtuig raken. Een conventionele radar zou deze terugkerende fotonen niet kunnen onderscheiden van de massa van andere binnenkomende fotonen die zijn gecreëerd door natuurlijke fenomenen - of door radarverstorende apparaten. Maar een kwantumradar kan controleren op bewijs dat binnenkomende fotonen verstrengeld zijn met de tegengehouden fotonen. Die moeten afkomstig zijn van het radarstation. Hierdoor kan het zelfs de zwakste retoursignalen detecteren in een massa achtergrondruis.
Baugh waarschuwt dat er nog steeds grote technische uitdagingen zijn. Deze omvatten het ontwikkelen van zeer betrouwbare stromen van verstrengelde fotonen en het bouwen van extreem gevoelige detectoren. Het is moeilijk te weten of CETC, dat in 2016 al beweerde dat zijn radar objecten tot 100 kilometer (62 mijl) afstand kon detecteren, deze uitdagingen heeft opgelost; het houdt de technische details van zijn prototype geheim.
Seth Lloyd, een MIT-professor die de theorie ontwikkelde die ten grondslag ligt aan de kwantumradar, zegt dat hij bij gebrek aan hard bewijs sceptisch staat tegenover de beweringen van het Chinese bedrijf. Maar, voegt hij eraan toe, het potentieel van kwantumradar staat buiten kijf. Wanneer een volledig functionerend apparaat eindelijk wordt ingezet, markeert dit het begin van het einde van het stealth-tijdperk.
De ambities van China
Het werk van CETC maakt deel uit van een langetermijninspanning van China om van zichzelf een wereldleider op het gebied van kwantumtechnologie te worden. Het land verstrekt genereuze financiering voor nieuwe kwantumonderzoekscentra aan universiteiten en bouwt een nationaal onderzoekscentrum voor kwantumwetenschap dat naar verwachting in 2020 wordt geopend. Het is de VS al voorgegaan bij het registreren van patenten in kwantumcommunicatie en cryptografie (zie grafiek).
Een onderzoek naar de kwantumstrategie van China gepubliceerd in september 2018 door het Center for a New American Security (CNAS), een Amerikaanse denktank, merkte op dat het Chinese Volksbevrijdingsleger (PLA) kwantumspecialisten rekruteert en dat grote defensiebedrijven zoals China Shipbuilding Industry Corporation (CSIC) het opzetten van gezamenlijke quantumlabs op universiteiten. Het is echter moeilijk om precies uit te zoeken welke projecten een militair element hebben. Er is hier een zekere mate van ondoorzichtigheid en dubbelzinnigheid, en sommige daarvan kunnen opzettelijk zijn, zegt Elsa Kania, een co-auteur van de CNAS-studie.
De inspanningen van China nemen toe, terwijl de angst groeit dat het Amerikaanse leger zijn concurrentievoordeel verliest. Een commissie die door het Congres is belast om de defensiestrategie van de Trump-regering te herzien, heeft uitgevaardigd: een verslag waarschuwde in november 2018 dat de Amerikaanse superioriteitsmarge op belangrijke gebieden sterk is afgenomen en riep op tot meer investeringen in nieuwe technologieën op het slagveld.
Een van die technologieën zijn waarschijnlijk kwantumcommunicatienetwerken. Chinese onderzoekers hebben al een satelliet gebouwd die kwantumgecodeerde berichten tussen verre locaties kan verzenden, evenals een terrestrisch netwerk dat zich uitstrekt tussen Beijing en Shanghai. Beide projecten zijn ontwikkeld door wetenschappelijke onderzoekers, maar de knowhow en infrastructuur konden gemakkelijk worden aangepast voor militair gebruik.
De netwerken zijn gebaseerd op een benadering die bekend staat als Quantum Key Distribution (QKD). Berichten worden gecodeerd in de vorm van klassieke bits en de cryptografische sleutels die nodig zijn om ze te decoderen, worden verzonden als kwantumbits of qubits. Deze qubits zijn meestal fotonen die gemakkelijk over glasvezelnetwerken of door de atmosfeer kunnen reizen. Als een vijand de qubits probeert te onderscheppen en te lezen, vernietigt dit onmiddellijk hun delicate kwantumtoestand, waardoor de informatie die ze bij zich hebben, wordt weggevaagd en een veelbetekenend teken van een inbraak achterblijft.
QKD-technologie is nog niet helemaal veilig. Lange-grondnetwerken vereisen tussenstations die vergelijkbaar zijn met de repeaters die signalen versterken langs een gewone datakabel. Op deze stations worden de sleutels gedecodeerd in klassieke vorm voordat ze opnieuw worden gecodeerd in een kwantumvorm en naar het volgende station worden verzonden. Hoewel de sleutels in klassieke vorm zijn, kan een vijand inbreken en ze onopgemerkt kopiëren.
Om dit probleem op te lossen, werkt een team van onderzoekers van het US Army Research Laboratory in Adelphi, Maryland, aan een aanpak die kwantumteleportatie wordt genoemd. Dit omvat het gebruik van verstrengeling om gegevens over te dragen tussen een qubit die wordt vastgehouden door een afzender en een andere die wordt vastgehouden door een ontvanger, met behulp van wat neerkomt op een soort virtuele, eenmalige kwantumdatakabel. (Hier vindt u een meer gedetailleerde beschrijving.)
Michael Brodsky, een van de onderzoekers, zegt dat hij en zijn collega's hebben gewerkt aan een aantal technische uitdagingen, waaronder het vinden van manieren om ervoor te zorgen dat de delicate kwantumtoestand van de qubits niet wordt verstoord tijdens transmissie via glasvezelnetwerken. De technologie is nog steeds beperkt tot een laboratorium, maar het team zegt dat het nu robuust genoeg is om buiten te worden getest. De stellingen kunnen op vrachtwagens worden geplaatst en de vrachtwagens kunnen naar het veld worden verplaatst, legt Brodsky uit.
Het zal niet lang duren voordat China zijn eigen kwantumteleportatiesysteem test. Onderzoekers bouwen al aan het glasvezelnetwerk voor een netwerk dat zich zal uitstrekken van de stad Zhuhai, in de buurt van Macau, tot enkele eilanden in Hong Kong.
Kwantumkompas
Onderzoekers onderzoeken ook het gebruik van kwantumbenaderingen om nauwkeurigere en onfeilbare navigatiehulpmiddelen aan het leger te leveren. Amerikaanse vliegtuigen en marineschepen vertrouwen al op nauwkeurige atoomklokken om bij te houden waar ze zich bevinden. Maar ze rekenen ook op signalen van het Global Positioning System (GPS), een netwerk van satellieten in een baan om de aarde. Dit vormt een risico omdat een vijand GPS-signalen kan vervalsen of vervalsen, of ze helemaal kan blokkeren.
Lockheed Martin denkt dat Amerikaanse zeelieden een kwantumkompas kunnen gebruiken op basis van microscopisch kleine synthetische diamanten met atomaire gebreken die bekend staan als stikstof-vacaturecentra of NV-centra. Deze kwantumdefecten in het diamantrooster kunnen worden gebruikt om een uiterst nauwkeurige magnetometer te vormen. Door met een laser op diamanten met NV-centra te schijnen, zenden ze licht uit met een intensiteit die varieert afhankelijk van het omringende magnetische veld.
Wikimedia Commons
Ned Allen, hoofdwetenschapper van Lockheed, zegt dat de magnetometer geweldig is in het detecteren van magnetische anomalieën - onderscheidende variaties in het magnetische veld van de aarde veroorzaakt door magnetische afzettingen of rotsformaties. Er zijn al gedetailleerde kaarten van deze anomalieën gemaakt door satelliet- en terrestrische onderzoeken. Door met de magnetometer gedetecteerde anomalieën te vergelijken met deze kaarten, kunnen navigators bepalen waar ze zich bevinden. Omdat de magnetometer ook de oriëntatie van magnetische velden aangeeft, kunnen schepen en onderzeeërs hiermee bepalen in welke richting ze varen.
Het Chinese leger maakt zich duidelijk zorgen over bedreigingen voor zijn eigen versie van GPS, bekend als BeiDou. Volgens het CNAS-rapport wordt bij verschillende instituten in het hele land onderzoek gedaan naar kwantumnavigatie- en detectietechnologie.
Magnetometers worden niet alleen gebruikt voor navigatie, maar kunnen ook de beweging van grote metalen objecten, zoals onderzeeërs, detecteren en volgen door fluctuaties die ze veroorzaken in lokale magnetische velden. Omdat ze erg gevoelig zijn, worden de magnetometers gemakkelijk verstoord door achtergrondgeluid, dus voorlopig worden ze alleen voor detectie op zeer korte afstanden gebruikt. Maar vorig jaar liet de Chinese Academie van Wetenschappen weten dat enkele Chinese onderzoekers een manier hadden gevonden om dit te compenseren met behulp van kwantumtechnologie. Dat zou kunnen betekenen dat de apparaten in de toekomst kunnen worden gebruikt om onderzeeërs op veel grotere afstanden te spotten.
Een strakke race
Het is nog te vroeg voor het gebruik van kwantumtechnologieën door militairen. Er is geen garantie dat ze goed zullen werken op grote schaal, of in conflictsituaties waar absolute betrouwbaarheid essentieel is. Maar als ze slagen, kunnen kwantumversleuteling en kwantumradar een bijzonder grote impact hebben. Het doorbreken van codes en radar hielpen de loop van de Tweede Wereldoorlog te veranderen. Quantumcommunicatie kan het stelen van geheime berichten veel moeilijker of onmogelijk maken. Kwantumradar zou stealth-vliegtuigen net zo zichtbaar maken als gewone vliegtuigen. Beide dingen zouden het spel veranderen.
Het is ook te vroeg om te zeggen of het China of de VS zal zijn die als beste uit de strijd komt in de kwantumwapenwedloop - of dat het zal leiden tot een patstelling in de stijl van de Koude Oorlog. Maar het geld dat China in kwantumonderzoek steekt, is een teken van hoe vastbesloten het is om het voortouw te nemen.
China is er ook in geslaagd om nauwe werkrelaties op te bouwen tussen onderzoeksinstituten van de overheid, universiteiten en bedrijven als CSIC en CETC. Ter vergelijking: de VS hebben nog maar net wetgeving aangenomen om een nationaal plan op te stellen voor de coördinatie van publieke en private inspanningen. De vertraging bij het aannemen van een dergelijke aanpak heeft geleid tot een groot aantal projecten in silo's en zou de ontwikkeling van nuttige militaire toepassingen kunnen vertragen. We proberen de onderzoeksgemeenschap meer een systeembenadering te laten volgen, zegt Brodsky, de kwantumexpert van het Amerikaanse leger.
Toch heeft het Amerikaanse leger enkele duidelijke voordelen ten opzichte van de PLA. Het ministerie van Defensie investeert al heel lang in kwantumonderzoek, net als Amerikaanse spionagebureaus. De gegenereerde kennis helpt verklaren waarom Amerikaanse bedrijven toonaangevend zijn op gebieden als de ontwikkeling van krachtige kwantumcomputers, die verstrengelde qubits gebruiken om enorme hoeveelheden verwerkingskracht te genereren.
Het Amerikaanse leger kan ook profiteren van het werk van zijn bondgenoten en van een levendige academische onderzoeksgemeenschap thuis. Het radaronderzoek van Baugh wordt bijvoorbeeld gefinancierd door de Canadese regering, en de VS plannen een gezamenlijk onderzoeksinitiatief met hun naaste militaire partners – Canada, het VK, Australië en Nieuw-Zeeland – op gebieden als kwantumnavigatie.
Dit alles heeft de VS een voorsprong gegeven in de kwantumwapenwedloop. Maar de indrukwekkende inspanning van China om het kwantumonderzoek een boost te geven, betekent dat de kloof tussen hen snel kleiner wordt.