Unternehmen wie Vector Atomic und Infleqtion helfen dem Militär, Quantentechnologien zu nutzen, um unterirdische Sensoren, sichere Kommunikation und Alternativen zu GPS zu entwickeln.
By Jeremy Bogaisky
Ifein schwebender Spionageballon hoch über den USA ist ein Beispiel für einen Tech-Krieg des 19. Jahrhunderts, stellen Sie sich Quanten als die nahe Zukunft vor.
Das Pentagon sucht seit Jahren nach neuen Wegen, um die Quantenphysik für die Kriegsführung einzusetzen, sei es durch die Entwicklung leistungsfähigerer Computer, das Backstopping von GPS, die Stärkung der Kommunikationssicherheit oder die Schaffung von Überwachungsmitteln, die untergetauchte U-Boote und unterirdische Bunker besser erkennen könnten. Es besteht Dringlichkeit: Auch China investiert stark in den Ausbau dieser Fähigkeiten.
Nehmen Sie zum Beispiel GPS. Im Falle eines bewaffneten Konflikts zwischen den USA und China wäre eines der ersten Ziele, auf das beide Seiten zielen würden, das globale Ortungssystem des anderen Landes. Stellen Sie sich das Chaos auf dem Boden und die Verwirrung am Himmel ohne ihn vor.
Forscher entwickeln quantenverstärkte Navigationssysteme, die es Schiffen und Flugzeugen ermöglichen würden, im Falle eines GPS-Ausfalls auf Kurs zu bleiben, sowie Raketen genauer zu ihren Zielen zu lenken. Ein Teil davon beinhaltet die Erstellung genauerer Atomuhren, da GPS im Kern ein Zeitmesssystem ist – das die Zeitdifferenz zwischen Satelliten und Empfängern am Boden berechnet. Die Technologie wird innerhalb von fünf Jahren fertig sein, sagte Michael Hayduk, ein stellvertretender Direktor des Air Force Research Laboratory.
„Dies wird die Welt auf ziemlich bemerkenswerte Weise verändern, und Sie müssen nicht zu lange darauf warten“, sagte William Clark, Physiker und Vizepräsident bei Infleqtion, einem Startup, das zu den führenden Unternehmen auf diesem Gebiet gehört Forbes.
BEREIT IST ODER NICHT
Die Einschätzung des Verteidigungsministeriums zur Bereitschaft und erwarteten militärischen Auswirkungen einer Reihe von Quantentechnologien.
In seinem Tech-Wettlauf mit China hat das Pentagon die Ausgaben für Forschung und Entwicklung in vielen Bereichen, einschließlich der Quantenwissenschaften, erhöht. Regierungsbehörden mussten im Geschäftsjahr 918 2022 Millionen US-Dollar für Quantenforschung und -entwicklung ausgeben, gegenüber 449 Millionen US-Dollar im Jahr 2019, wobei das Air Force Research Laboratory, die Defense Advanced Research Projects Agency und das Office of Naval Research zu den Hauptgeldgebern gehörten. Ihre Beiträge wurden durch zunehmende Beteiligungen an Risikokapital ergänzt. Laut Pitchbook haben US-Quanten-Startups im Jahr 870 2022 Millionen US-Dollar an Finanzmitteln aufgesogen, fast doppelt so viel wie im Jahr 2020.
Der Schwerpunkt lag dabei vor allem auf der Entwicklung von Quantencomputern. Während klassisches Computing auf „Bits“ basiert, die entweder eins oder null sind, verwendet Quantencomputing subatomare Teilchen als „Qubits“. Aufgrund des Quantenphänomens der Überlagerung können Qubits gleichzeitig eins und null sein oder Proportionen dazwischen haben, was es ermöglichen könnte, sie zur schnellen Lösung komplexer Probleme zu verwenden, die außerhalb der Reichweite aktueller Maschinen liegen.
Nützliche Quantencomputer mögen noch ein Jahrzehnt oder länger entfernt sein, aber ein Teil der zugrunde liegenden Forschung zur Steuerung einzelner Atome und Photonen steht kurz davor, zur Herstellung genauerer Sensoren eingesetzt zu werden, einschließlich solcher, die Bewegungen verfolgen, wie Beschleunigungsmesser und Gyroskope sowie Geräte, die kleine Änderungen der Schwerkraft und Magnetfelder erkennen.
WIE VIEL SPRUNG
Das Militär prüft eine Reihe von Anwendungen für die Quantentechnologie.
Berichte im Jahr 2017 eines chinesischen Durchbruchs in der Quantenmagnetometrie ließ Spekulationen aufkommen, dass es in der Lage sein könnte, ein luftgestütztes Netzwerk von Geräten einzusetzen, um Unterwasser-U-Boote aus meilenweiter Entfernung zu erkennen. Viele Experten sind skeptisch, aber langfristig wird erwartet, dass Quantengravimeter und Magnetometer unterirdische Merkmale wie Öl- und Mineralvorkommen, Grundwasserspiegel, Bunker und Tunnel genauer kartieren können.
Cryptography
Die Bedrohung durch Durchbrüche Chinas im Quantencomputing wirkt sich bereits auf die Cybersicherheit aus. Insider der nationalen Sicherheit sagen, dass China und andere feindliche Länder es sind Sammeln von verschlüsselter Kommunikation und andere sensible Daten aus den USA und speichert sie bis zu dem Tag, an dem Quantencomputer leistungsfähig genug sind, um ihre Verschlüsselung zu knacken.
Im vergangenen Jahr unternahmen die Biden-Administration und der Kongress Schritte, um Regierungsbehörden zum Übergang zu neuen „Post-Quanten“-Kryptografiemethoden zu drängen, von denen angenommen wird, dass sie für Quantencomputer uneinnehmbar sind.
China geht einen anderen und teureren Weg gegen die Bedrohung durch das Knacken von Quantencodes. Das Land hat Netzwerke mit Tausenden von Kilometern Glasfaserkabeln entwickelt, die Großstädte verbinden und zufällige Quantenschlüssel über Photonen verteilen, um die Kommunikation zu sichern. Aufgrund der Natur der Quantenmechanik wird angenommen, dass jeder Versuch, ein solches Netzwerk abzuhören, die Photonen verändern und die Benutzer alarmieren würde. China ist auch das erste Land, das die Verteilung von Quantenschlüsseln über Satellit demonstriert.
Aufgrund dieser Bemühungen hat China die USA in der Quantenkommunikation überholt, a RAND-Studie letztes Jahr abgeschlossen. Die USA sind führend im Quantencomputing, während es unklar ist, ob einer der beiden einen Vorteil bei der Sensorik hat, schrieben die RAND-Forscher.
Timing und Navigation
Die aktuelle Generation von Satelliten-GPS kann Standorte nur auf drei Meter genau schätzen. Die Quantenphysik würde mehr Präzision ermöglichen.
In Labors haben Wissenschaftler genauere, zimmergroße Atomuhren entwickelt, die auf optischen Lasern basieren, die nach Milliarden von Jahren eine Sekunde verlieren würden. Vector Atomic gehört zu einer Handvoll Unternehmen, die an der Entwicklung kleinerer, robusterer Uhren für den täglichen Feldeinsatz arbeiten und die Spitzenleistung von Labordurchbrüchen gegen Zuverlässigkeit und Praktikabilität eintauschen.
Letzten Sommer sagte das in Kalifornien ansässige Startup bei den multinationalen Marineübungen Rim of the Pacific (RIMPAC), es habe optische Schiffsuhren in einem relativ kompakten 40-Liter-Paket demonstriert, die nach etwa einer Stunde um 10 Billionstel Sekunden von der Genauigkeit abwichen. Aktuelle Satelliten-GPS-Uhren driften nach 20 Sekunden so stark.
Diese Art der Verbesserung könnte eine Vielzahl von Vorteilen haben. GPS würde mit weniger häufigen Aktualisierungen der satellitengestützten Uhren vom Boden aus genau bleiben. Gepaart mit Satelliten in niedriger Erdumlaufbahn, die GPS-Signale näher bringen würden, würde ein präziseres Timing die Genauigkeit auf Zentimeter verbessern. Das würde zum Beispiel bedeuten, dass GPS fahrerlose Fahrzeuge in der Spur halten könnte.
Ein besseres Timing würde auch eine effizientere Nutzung von Mobilfunk- und anderen drahtlosen Netzwerken ermöglichen und mehr Benutzer in ein Spektrum packen, das derzeit als stark überlastet gilt.
Tragbare Atomuhren könnten in Flugzeuge oder Bodenfahrzeuge eingebaut werden. Es würde amerikanischen Streitkräften ermöglichen, temporäre lokale GPS-Netzwerke rund um Schlachtfelder mit Kommunikationssignalen zu errichten, die zu stark wären, um sie zu stören, während die USA feindliche weltraumgestützte Navigationssysteme blockierten, sagte Jamil Abo-Shaeer, CEO von Vector Atomic, der Quantenprogramme bei DARPA verwaltete von 2010 bis 2014.
Das Unternehmen, das keine Risikofinanzierung in Anspruch genommen hat, während es über 50 Millionen US-Dollar an staatlichen Forschungsaufträgen gesammelt hat, arbeitet an Projekten mit der Marine und der DARPA, um seine Uhren zu verkleinern, damit sie kleiner als Handgepäck sind.
Ebenfalls auf der RIMPAC demonstrierte Vector Atomic ein kompaktes Quantengravimeter, gepaart mit einem standardmäßigen Trägheitsnavigationssystem, das es Marineschiffen ermöglichen soll, ohne GPS zu navigieren. Das Gerät misst winzige Änderungen der lokalen Schwerkraft aufgrund von Schwankungen im Unterwassergelände. Durch den Vergleich der Messungen mit einer Gravitationskarte konnte das Gerät die Drift im Trägheitsnavigationssystem des Schiffes korrigieren, um den Standort des Schiffes über einen Zeitraum von drei Wochen des Einsatzes genau zu bestimmen, sagte Abo-Shaeer.
Das Unternehmen geht davon aus, dass es in zwei bis drei Jahren mit der Kommerzialisierung einer energieeffizienten Version beginnen kann, die klein genug ist, um in einen Autokofferraum zu passen.
Mehrere andere Unternehmen arbeiten an Quantenträgheitssensoren, darunter das in Australien ansässige Q-CTRL, das Mitte 2023 eine Felddemonstration eines quantenfähigen Navigationssystems mit dem Partner Advanced Navigation plant. Das in Colorado ansässige Unternehmen Infleqtion ist Teil eines britischen Projekts zur Entwicklung eines Quantum Positioning Systems für einzelne Fahrzeuge. Ein Quantengyroskop, das das Unternehmen für die Initiative baut, wird 2024 im Flug getestet.
Kommunikation
Mit DARPA-Finanzierung entwickelt Infleqtion, das letztes Jahr seinen Namen von ColdQuanta geändert hat, auch Quantenfunkempfänger, um Satellitenschüsseln zu ersetzen. Sie können auf Frequenzen im gesamten Spektrum abgestimmt werden, von den HF- und UHF-Bändern, die von militärischen taktischen Funkgeräten verwendet werden, bis zum K-Band, das vom Starlink-Satellitenbreitbandnetzwerk von SpaceX verwendet wird. Die Technologie wird es einem Gerät ermöglichen, das zu ersetzen, was heute zehn verschiedene Empfangsgeräte tun, sagte Clark.
Bis 2025 plant das Unternehmen, einen Sechsbandempfänger im Taschenformat mit Lasern und Backend-Elektronik zu demonstrieren, der auf die Größe eines kleinen Schuhkartons geschrumpft ist.
Weiter draußen sagte Clark, dass eine ähnliche Technologie verwendet werden könnte, um einen abstimmbaren Multiband-Sender zu schaffen. „Das wäre der Heilige Gral“, sagte er Forbes. „Es wäre wie Ihr Star-Trek-Kommunikator, vollständig senden und empfangen in einem kleinen Gerät.“
Wettbewerb
Während die Sowjetunion einige der größten theoretischen Physiker des 20. Jahrhunderts hervorgebracht hat, gibt es nicht viele Anzeichen dafür, dass Russland heute bedeutende Quantentechnologien entwickelt, sagte RAND-Forscher Edward Parker Forbes.
Chinas Arbeit in der Quantentechnologie konzentriert sich auf große nationale Labors. Das könnte es bei der Kommerzialisierung von Quantensensoren im Vergleich zu den USA mit ihren zahlreichen Privatunternehmen benachteiligen, sagte Parker.
„Der wirkliche Fortschritt in der Quantensensorik, der jetzt gemacht werden muss, ist nicht unbedingt Laborarbeit oder akademische Arbeit, sondern darin, sie feldtauglich zu machen“, sagte Parker. „Mir ist unklar, ob sie über die Infrastruktur des privaten Sektors verfügen, um diese Art von Kernarbeit zu erledigen.“
MEHR VON FORBES
Quelle: https://www.forbes.com/sites/jeremybogaisky/2023/02/13/the-spy-balloon-is-just-the-start-venture-capital-joins-pentagon-in-spending-big- China-im-Quantentechnologiekrieg-vereiteln/