Yritykset, kuten Vector Atomic ja Infleqtion, auttavat armeijaa hyödyntämään kvanttiteknologiaa kehittämään maanalaista tunnistusta, turvallista viestintää ja vaihtoehtoja GPS:lle.
By Jeremy Bogaisky
Ifkelluva vakoojailmapallo korkealla Yhdysvaltojen yläpuolella on esimerkki 19-luvun teknologiasodasta, ajattele kvanttia lähitulevaisuutena.
Pentagon on jo vuosia etsinyt uusia tapoja käyttää kvanttifysiikkaa sodan käymiseen, olipa kyseessä sitten tehokkaampien tietokoneiden kehittäminen, GPS:n taustavahvistus, viestinnän turvallisuuden vahvistaminen tai valvontavälineiden luominen, jotka voisivat paremmin havaita vedenalaiset sukellusveneet ja maanalaiset bunkkerit. Asialla on kiire: Kiina investoi myös voimakkaasti näiden kykyjen kehittämiseen.
Otetaan esimerkiksi GPS. Yhdysvaltojen ja Kiinan välisen aseellisen konfliktin sattuessa ensimmäinen asia, jonka molemmat osapuolet kohdistaisivat, olisi toisen maan globaali paikannusjärjestelmä. Kuvittele kaaos maassa ja hämmennystä taivaalla ilman sitä.
Tutkijat kehittävät kvanttitehostettuja navigointijärjestelmiä, jotka mahdollistaisivat laivojen ja lentokoneiden pysymisen kurssilla GPS-katkosten sattuessa sekä ohjaisivat ohjuksia tarkemmin kohteilleen. Osa siitä sisältää tarkempien atomikellojen luomisen, koska GPS on pohjimmiltaan ajastusjärjestelmä, joka laskee satelliittien ja maassa olevien vastaanottimien välisen aikaeron. Tekniikka on valmis viiden vuoden kuluessa, sanoi Michael Hayduk, Air Force Research Laboratoryn apulaisjohtaja.
"Tämä muuttaa maailmaa melko merkittävillä tavoilla, eikä sitä tarvitse odottaa liian kauan", William Clark, fyysikko ja varapresidentti Infleqtionissa, startupissa, joka on yksi alan johtajista. Forbes.
VALMIS TAI EI
Puolustusministeriön arvio useiden kvanttitekniikoiden valmiudesta ja odotetusta sotilaallisesta vaikutuksesta.
Teknologiakilpailussaan Kiinan kanssa Pentagon on lisännyt tutkimus- ja kehitysmenoja monilla aloilla, mukaan lukien kvanttitieteet. Valtion virastoilla oli 918 miljoonaa dollaria käytettävää kvanttitutkimukseen ja kehitykseen vuonna 2022, kun se vuonna 449 oli 2019 miljoonaa dollaria, ja päärahoittajien joukossa olivat Air Force Research Laboratory, Defense Advanced Research Projects Agency ja Office of Naval Research. Heidän osuutensa on täydennetty kasvavalla riskipääomalla. Yhdysvaltain kvantti-startupit saivat vuonna 870 2022 miljoonan dollarin rahoituksen Pitchbookin mukaan lähes kaksinkertaisesti vuoteen 2020 verrattuna.
Suurin osa keskittymisestä on ollut kvanttitietokoneiden kehittämisessä. Vaikka klassinen laskenta perustuu "bitteihin", jotka ovat joko yksi tai nolla, kvanttilaskenta käyttää subatomisia hiukkasia "kubitteina". Superpositio-ilmiön vuoksi kubitit voivat olla yhtä aikaa yksi ja nolla tai niiden välisiä suhteita, mikä mahdollistaa niiden käyttämisen monimutkaisten ongelmien nopeaan ratkaisemiseen, jotka ovat nykyisten koneiden ulottumattomissa.
Hyödylliset kvanttitietokoneet voivat olla vuosikymmenen tai enemmänkin päässä, mutta osa taustalla olevasta yksittäisten atomien ja fotonien hallintaa koskevasta tutkimuksesta on tulossa käytettäväksi tarkempien antureiden, mukaan lukien liikettä seuraavien anturien, kuten kiihtyvyysantureiden ja gyroskooppien, tekemiseen. sekä laitteet, jotka havaitsevat pieniä muutoksia painovoimassa ja magneettikentissä.
KUINKA PALJON HYPPY
Armeija tutkii useita sovelluksia kvanttiteknologialle.
Raportit vuonna 2017 Kiinan läpimurto kvanttimagnetometriassa herätti spekulaatioita siitä, että se voisi pystyä käyttämään ilmassa olevaa laitteiden verkkoa havaitsemaan vedenalaisia sukellusveneitä kilometrien päästä. Monet asiantuntijat ovat skeptisiä, mutta pitkällä aikavälillä on odotettavissa, että kvanttigravimetrit ja magnetometrit pystyvät kartoittamaan tarkemmin maanalaisia ominaisuuksia, kuten öljy- ja mineraaliesiintymiä, pohjavesien, bunkkereita ja tunneleita.
Cryptography
Kiinan läpimurtojen uhka kvanttilaskentaan vaikuttaa jo kyberturvallisuuteen. Kansallisen turvallisuuden sisäpiiriläiset sanovat, että Kiina ja muut vihamieliset maat ovat salatun viestinnän kerääminen ja muita arkaluontoisia tietoja Yhdysvalloista ja sen säilyttämistä siihen päivään asti, jolloin kvanttitietokoneet ovat tarpeeksi tehokkaita murtamaan niiden salaus.
Viime vuonna Bidenin hallinto ja kongressi ryhtyivät toimiin pakottaakseen valtion virastoja siirtymään uusiin "post-kvantti" kryptografisiin menetelmiin, joiden uskotaan olevan kvanttitietokoneiden sietämättömiä.
Kiina ottaa toisenlaisen ja kalliimman otteen kvanttikoodin murtamisen uhkaan. Maa on kehittänyt tuhansien kilometrien pituisia kuituoptisia kaapeleita, jotka yhdistävät suuria kaupunkeja ja jotka jakavat satunnaisia kvanttiavaimia fotonien kautta viestinnän turvaamiseksi. Kvanttimekaniikan luonteesta johtuen uskotaan, että kaikki yritykset salakuunnella tällaista verkkoa muuttaisivat fotoneja, mikä varoittaa käyttäjiä. Kiina on myös ensimmäinen maa, joka on osoittanut kvanttiavainten jakelun satelliitin kautta.
Näiden ponnistelujen ansiosta Kiina on vetänyt edellä Yhdysvaltoja kvanttiviestinnässä, a RAND-tutkimus päättyi viime vuonna. Yhdysvallat johtaa kvanttilaskentaa, mutta on epäselvää, onko jommallakummalla etuja havaitsemisessa, RAND-tutkijat kirjoittivat.
Ajoitus ja navigointi
Nykyinen satelliitti-GPS-sukupolvi pystyy arvioimaan sijainnin vain kolmen metrin tarkkuudella. Kvanttifysiikka mahdollistaisi tarkkuuden.
Laboratorioissa tutkijat ovat kehittäneet tarkempia, huoneen kokoisia atomikelloja, jotka perustuvat optisiin lasereihin, jotka menettäisivät sekunnin miljardien vuosien jälkeen. Vector Atomic on yksi kourallisista yrityksistä, jotka pyrkivät kehittämään pienempiä, kestävämpiä kelloja päivittäiseen kenttäkäyttöön ja myyvät laboratorion läpimurtojen huippuluokan suorituskykyä luotettavuuteen ja käytännöllisyyteen.
Viime kesänä monikansallisilla Rim of the Pacific (RIMPAC) -laivastoharjoituksilla kalifornialainen startup kertoi esittelevänsä laivassa olevia optisia kelloja suhteellisen kompaktissa 40 litran pakkauksessa, joka poikkesi tarkkuudesta 10 biljoonaa sekuntia noin tunnin kuluttua. Nykyiset satelliitti-GPS-kellot ajautuvat niin paljon 20 sekunnin jälkeen.
Tällaisella parannuksella voi olla monia etuja. GPS pysyisi tarkana, jos satelliittipohjaisia kelloja päivitettäisiin harvemmin maasta. Yhdistettynä matalan Maan kiertoradan satelliittien kanssa, mikä tuo GPS-signaalit lähemmäksi, tarkempi ajoitus parantaisi tarkkuutta senttimetreihin. Tämä tarkoittaisi esimerkiksi sitä, että GPS voisi pitää kuljettajattomat ajoneuvot kaistallaan.
Parempi ajoitus mahdollistaisi myös matkapuhelinverkkojen ja muiden langattomien verkkojen tehokkaamman käytön, mikä pakkaa enemmän käyttäjiä taajuuksiin, joita tällä hetkellä pidetään erittäin ruuhkaisena.
Kannettavat atomikellot voitaisiin laittaa lentokoneisiin tai maa-ajoneuvoihin. Sen avulla amerikkalaiset joukot voisivat rakentaa väliaikaisia paikallisia GPS-verkkoja taistelukenttien ympärille viestintäsignaaleilla, jotka olisivat liian vahvoja häiritäkseen, kun taas Yhdysvallat häiritsi vihollisen avaruuteen perustuvia navigointijärjestelmiä, sanoi Vector Atomicin toimitusjohtaja Jamil Abo-Shaeer, joka hallinnoi DARPA:n kvanttiohjelmia. vuodesta 2010 vuoteen 2014.
Yritys, joka ei ole ottanut riskirahoitusta ja kerännyt yli 50 miljoonan dollarin valtion tutkimussopimuksia, työskentelee laivaston ja DARPA:n kanssa projekteissa, joiden tarkoituksena on kutistaa kellojaan niin, että ne ovat pienempiä kuin käsimatkatavarat.
Myös RIMPACissa Vector Atomic esitteli kompaktin kvanttigravimetrin yhdistettynä tavalliseen inertianavigointijärjestelmään, joka lupaa antaa merivoimien aluksille navigoida ilman GPS:ää. Laite mittaa pieniä muutoksia paikallisessa painovoimassa merenalaisen maaston vaihteluista johtuen. Vertaamalla mittauksia gravitaatiokarttaan laite pystyi korjaamaan ajelehtia aluksen inertianavigointijärjestelmässä ja vahvistamaan tarkasti aluksen sijainnin kolmen viikon käytön aikana, Abo-Shaeer sanoi.
Yhtiö uskoo, että kahdessa tai kolmessa vuodessa se voi alkaa kaupallistaa energiatehokasta versiota, joka mahtuu auton tavaratilaan.
Useat muut yritykset työskentelevät kvantti-inertia-anturien parissa, mukaan lukien Australiassa toimiva Q-CTRL, joka suunnittelee kvanttikäyttöisen navigointijärjestelmän esittelyä vuoden 2023 puolivälissä kumppanin Advanced Navigationin kanssa. Coloradossa sijaitseva Infleqtion on osa Iso-Britannian hanketta, jossa kehitetään kvanttipaikannusjärjestelmä yksittäisille ajoneuvoille. Yrityksen hanketta varten rakentama kvanttigyroskooppi testataan lentokokeella vuonna 2024.
Yhteydenpito
DARPA-rahoituksella Infleqtion, joka vaihtoi nimensä viime vuonna ColdQuantalta, kehittää myös kvanttiradiovastaanottimia korvaamaan satelliittiantenneja. Ne voidaan virittää taajuuksille kaikkialla, sotilaallisten taktisten radioiden käyttämistä HF- ja UHF-kaistoista SpaceX:n Starlink-satelliittilaajakaistaverkon K-kaistaan. Teknologian ansiosta yksi laite voi korvata sen, mitä kymmenen erilaista vastaanotinsarjaa nykyään tekevät, Clark sanoi.
Vuoteen 2025 mennessä yritys aikoo esitellä taskukokoisen kuusikaistaisen vastaanottimen, jossa laserit ja taustaelektroniikka on pienennetty pienen kenkälaatikon kokoiseksi.
Lisäksi Clark sanoi, että samanlaista tekniikkaa voitaisiin käyttää viritettävän monikaistalähettimen luomiseen. "Se olisi pyhä malja", hän sanoi Forbes. "Se olisi kuin Star Trek -kommunikaattorisi, täydellinen lähetys ja vastaanotto pienessä laitteessa."
Kilpailu
Vaikka Neuvostoliitto tuotti eräitä 20-luvun suurimmista teoreettisista fyysikoista, ei ole paljon merkkejä siitä, että Venäjä kehittää nykyään merkittäviä kvanttitekniikoita, RAND-tutkija Edward Parker kertoi. Forbes.
Kiinan työ kvanttiteknologian alalla on keskittynyt suuriin kansallisiin laboratorioihin. Tämä saattaa asettaa sen epäedulliseen asemaan kvanttianturien kaupallistamisessa verrattuna Yhdysvaltoihin, joissa on joukko yksityisiä yrityksiä, Parker sanoi.
"Todellinen edistyminen kvanttitunnistuksessa nyt ei välttämättä ole laboratoriotyötä tai akateemista työtä, vaan sen saaminen kenttäkäyttöön", Parker sanoi. "Minulle on epäselvää, onko heillä yksityisen sektorin infrastruktuuri tällaisen nihkeän työn tekemiseen."
LISÄTIETOJA
Lähde: https://www.forbes.com/sites/jeremybogaisky/2023/02/13/the-spy-balloon-is-just-the-start-venture-capital-joins-pentagon-in-spending-big- estää kiinaa kvanttiteknologiasodassa/