Selskaper som Vector Atomic og Infleqtion hjelper militæret med å utnytte kvanteteknologier for å utvikle underjordisk sensing, sikker kommunikasjon og alternativer til GPS.
By Jeremy Bogaisky
Ifen spionballong som flyter høyt over USA er et eksempel på en teknologikrig fra 19-tallet, tenk på kvante som en nær fremtid.
Pentagon har i årevis lett etter nye måter å bruke kvantefysikk til å føre krig, enten det er utvikling av kraftigere datamaskiner, backstopping av GPS, styrking av kommunikasjonssikkerheten eller opprettelse av overvåkingsmidler som bedre kan oppdage nedsenkede ubåter og underjordiske bunkere. Det haster: Kina investerer tungt i å fremme disse evnene også.
Ta GPS, for eksempel. I tilfelle væpnet konflikt mellom USA og Kina, vil en av de første tingene begge sider vil sikte på være det andre landets globale posisjoneringssystem. Se for deg kaoset på bakken og forvirringen på himmelen uten det.
Forskere utvikler kvanteforbedrede navigasjonssystemer som vil gjøre det mulig for skip og fly å holde kursen i tilfelle GPS-brudd, samt lede missiler til målene deres mer nøyaktig. En del av det involverer å lage mer nøyaktige atomklokker, siden GPS er i bunn og grunn et timingsystem - beregne forskjellen i tid mellom satellitter og mottakere på bakken. Teknologien vil være klar innen fem år, sa Michael Hayduk, en nestleder ved Air Force Research Laboratory.
"Dette vil forandre verden på ganske bemerkelsesverdige måter, og du trenger ikke vente for lenge på det," fortalte William Clark, fysiker og visepresident ved Infleqtion, en oppstart som er en av lederne på feltet. Forbes.
KLAR ELLER IKKE
Forsvarsdepartementets vurdering av beredskapen og forventet militær effekt av en rekke kvanteteknologier.
I sitt teknologikappløp med Kina har Pentagon økt forsknings- og utviklingsutgifter på mange områder, inkludert kvantevitenskap. Offentlige etater hadde 918 millioner dollar å bruke på kvante-FoU i regnskapsåret 2022, opp fra 449 millioner dollar i 2019, med Air Force Research Laboratory, Defense Advanced Research Projects Agency og Office of Naval Research blant hovedfinansiererne. Deres bidrag har blitt supplert med økende mengder risikokapital. Amerikanske kvantestartups tok opp 870 millioner dollar i finansiering i 2022, ifølge Pitchbook, nesten det dobbelte av 2020.
Det meste av fokus har vært på utvikling av kvantedatamaskiner. Mens klassisk databehandling er basert på "biter" som er enten en eller null, bruker kvanteberegning subatomære partikler som "qubits." På grunn av kvantefenomenet superposisjon, kan qubits være én og null på samme tid, eller proporsjoner i mellom, noe som kan tillate dem å brukes til raskt å løse komplekse problemer som er utenfor rekkevidden til nåværende maskiner.
Nyttige kvantedatamaskiner kan være et tiår eller mer unna, men noe av den underliggende forskningen på å kontrollere individuelle atomer og fotoner er på nippet til å bli tatt i bruk for å lage mer nøyaktige sensorer, inkludert de som sporer bevegelse, som akselerometre og gyroskoper, som samt enheter som oppdager små endringer i tyngdekraften og magnetiske felt.
KVANTESPRANG
Forsvaret ser på en rekke applikasjoner for kvanteteknologi.
Rapporter i 2017 av et kinesisk gjennombrudd innen kvantemagnetometri reiste spekulasjoner om at det kunne være i stand til å distribuere et luftbårent nettverk av enheter for å oppdage undervanns ubåter på kilometers avstand. Mange eksperter er skeptiske, men på lang sikt forventes det at kvantegravimetre og magnetometre vil kunne kartlegge underjordiske funksjoner mer nøyaktig som olje- og mineralforekomster, vannbord, bunkere og tunneler.
Kryptografi
Trusselen om gjennombrudd fra Kina innen kvantedatabehandling har allerede en innvirkning på cybersikkerhet. Nasjonal sikkerhetsinnsidere sier at Kina og andre fiendtlige land er det samler kryptert kommunikasjon og andre sensitive data fra USA og lagring til den dagen da kvantedatamaskiner er kraftige nok til å knekke kryptering.
I fjor tok Biden-administrasjonen og kongressen skritt for å presse offentlige etater til å gå over til nye "post-kvante" kryptografiske metoder som antas å være uinntagelige for kvantedatamaskiner.
Kina tar en annen og dyrere tak til trusselen om knekking av kvantekode. Landet har utviklet nettverk på tusenvis av mil med fiberoptiske kabler som forbinder store byer som distribuerer tilfeldige kvantenøkler via fotoner for å sikre kommunikasjon. På grunn av kvantemekanikkens natur, antas det at ethvert forsøk på å avlytte et slikt nettverk vil endre fotonene og varsle brukerne. Kina er også det første landet som demonstrerer kvantenøkkeldistribusjon via satellitt.
På grunn av denne innsatsen har Kina gått foran USA innen kvantekommunikasjon, en RAND studie avsluttet i fjor. USA leder innen kvanteberegning, mens det er uklart om noen av dem har en fordel i sansing, skrev RAND-forskerne.
Timing og navigasjon
Den nåværende generasjonen av satellitt-GPS kan bare estimere plasseringer til innenfor tre meter. Kvantefysikk ville tillate mer presisjon.
I laboratorier har forskere utviklet mer nøyaktige atomklokker i romstørrelse basert på optiske lasere som ville miste et sekund etter milliarder av år. Vector Atomic er blant en håndfull selskaper som jobber med å utvikle mindre, mer robuste klokker for daglig feltbruk, og bytter den banebrytende ytelsen til laboratoriegjennombrudd for pålitelighet og praktisk.
I fjor sommer på de multinasjonale marineøvelsene Rim of the Pacific (RIMPAC), sa den California-baserte oppstarten at den demonstrerte skipsbårne optiske klokker i en relativt kompakt 40-liters pakke som drev fra nøyaktigheten med 10 billioner av et sekund etter omtrent en time. Gjeldende satellitt-GPS-klokker driver så mye etter 20 sekunder.
En slik forbedring kan ha en rekke fordeler. GPS vil forbli nøyaktig med sjeldnere oppdateringer av satellittbaserte klokker fra bakken. Sammen med satellitter med lav bane rundt jorden, som vil bringe GPS-signaler nærmere, vil mer presis timing forbedre nøyaktigheten til innen centimeter. Det ville for eksempel bety at GPS kunne holde førerløse kjøretøy i sine kjørefelt.
Bedre timing vil også tillate mer effektiv bruk av mobilnettverk og andre trådløse nettverk, og pakke flere brukere inn i spekter som for tiden anses som svært overbelastet.
Bærbare atomklokker kan settes på fly eller bakkekjøretøyer. Det ville tillate amerikanske styrker å bygge opp midlertidige lokale GPS-nettverk rundt slagmarker med kommunikasjonssignaler som ville være for sterke til å forstyrre, mens USA blokkerte fiendens rombaserte navigasjonssystemer, sa Vector Atomic-sjef Jamil Abo-Shaeer, som administrerte kvanteprogrammer ved DARPA fra 2010 til 2014.
Selskapet, som ikke har tatt noen risikofinansiering mens de samlet inn over 50 millioner dollar i statlige forskningskontrakter, jobber med prosjekter med marinen og DARPA for å krympe klokkene slik at de er mindre enn håndbagasje.
Også på RIMPAC demonstrerte Vector Atomic et kompakt kvantegravimeter sammen med et standard treghetsnavigasjonssystem som lover å tillate marineskip å navigere uten GPS. Enheten måler små endringer i den lokale tyngdekraften på grunn av variasjoner i undersjøisk terreng. Ved å sammenligne målingene med et gravitasjonskart, var enheten i stand til å korrigere for drift i skipets treghetsnavigasjonssystem for nøyaktig å fikse fartøyets plassering over tre ukers bruk, sa Abo-Shaeer.
Selskapet tror at det om to til tre år vil kunne begynne å kommersialisere en energieffektiv versjon som er liten nok til å få plass i bagasjerommet.
Flere andre selskaper jobber med kvantetreghetssensorer, inkludert Australia-baserte Q-CTRL, som planlegger en feltdemonstrasjon i midten av 2023 av et kvanteaktivert navigasjonssystem med partner Advanced Navigation. Colorado-baserte Infleqtion er en del av et britisk prosjekt for å utvikle et Quantum Positioning System for individuelle kjøretøy. Et kvantegyroskop selskapet bygger for initiativet vil flytestes i 2024.
kommunikasjon
Med DARPA-finansiering utvikler Infleqtion, som i fjor navn fra ColdQuanta, også kvanteradiomottakere for å erstatte parabolantenner. De kan stilles inn på frekvenser over hele spekteret, fra HF- og UHF-båndene som brukes av militære taktiske radioer til K-båndet som brukes av SpaceXs Starlink satellittbredbåndsnettverk. Teknologien vil gjøre det mulig for én enhet å erstatte det ti forskjellige mottakersett gjør i dag, sa Clark.
Innen 2025 planlegger selskapet å demonstrere en seksbåndsmottaker i lommestørrelse med lasere og back-end-elektronikk krympet ned til størrelsen på en liten skoeske.
Lenger ut sa Clark at lignende teknologi kan brukes til å lage en avstembar flerbåndssender. "Det ville være den hellige gral," sa han Forbes. "Det ville vært som din Star Trek-kommunikator, full sending og mottak i en liten enhet."
Konkurranse
Mens Sovjetunionen produserte noen av de største teoretiske fysikerne i det 20. århundre, er det ikke mange tegn på at Russland utvikler betydelige kvanteteknologier i dag, sa RAND-forsker Edward Parker Forbes.
Kinas arbeid innen kvanteteknologi er konsentrert i store nasjonale laboratorier. Det kan sette det til en ulempe når det gjelder kommersialisering av kvantesensorer sammenlignet med USA, med sin rekke private selskaper, sa Parker.
"Den virkelige fremgangen innen kvantesansing som skal gjøres nå er ikke nødvendigvis laboratoriearbeid eller akademisk arbeid, men i å få det feltbart," sa Parker. "Det er uklart for meg om de har privat sektors infrastruktur for å gjøre den typen tøff jobb."
MER 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- å hindre-kina-i-kvanteteknologikrig/