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Estados Unidos y China están en una carrera armamentista cuántica que transformará la guerra
mike mcquade
En la década de 1970, en el apogeo de la Guerra Fría, los planificadores militares estadounidenses comenzaron a preocuparse por la amenaza que representaban para los aviones de combate estadounidenses las nuevas defensas antimisiles guiadas por radar en la URSS y otras naciones. En respuesta, los ingenieros en lugares como el famoso Skunk Works del gigante de defensa estadounidense Lockheed Martin intensificaron el trabajo en tecnología sigilosa que podría proteger a los aviones de las miradas indiscretas del radar enemigo.
Las innovaciones resultantes incluyen formas inusuales que desvían las ondas de radar, como el diseño de ala voladora del bombardero B-2 de EE. UU. (arriba), así como materiales a base de carbono y pinturas novedosas. La tecnología Stealth aún no es una capa de invisibilidad como la de Harry Potter: incluso los aviones de combate más avanzados de la actualidad todavía reflejan algunas ondas de radar. Pero estas señales son tan pequeñas y débiles que se pierden en el ruido de fondo, lo que permite que la aeronave pase desapercibida.
Desde entonces, China y Rusia han obtenido sus propios aviones furtivos, pero los de Estados Unidos son aún mejores. Le han dado a Estados Unidos la ventaja de lanzar ataques sorpresa en campañas como la guerra en Irak que comenzó en 2003.
Esta ventaja está ahora amenazada. En noviembre de 2018, China Electronics Technology Group Corporation (CETC), la mayor empresa de electrónica de defensa de China, presentó un prototipo de radar que, según afirma, puede detectar aviones furtivos en vuelo. El radar utiliza algunos de los fenómenos exóticos de la física cuántica para ayudar a revelar la ubicación de los aviones.
Es solo una de varias tecnologías de inspiración cuántica que podrían cambiar el rostro de la guerra. Además de desbloquear aviones, podrían reforzar la seguridad de las comunicaciones en el campo de batalla y afectar la capacidad de los submarinos para navegar por los océanos sin ser detectados. La búsqueda de estas tecnologías está desencadenando una nueva carrera armamentista entre EE. UU. y China, que ve la era cuántica emergente como una oportunidad única en la vida para ganar ventaja sobre su rival en tecnología militar.
observador sigiloso
La rapidez con que los avances cuánticos influirán en el poder militar dependerá del trabajo de investigadores como Jonathan Baugh. Baugh, profesor de la Universidad de Waterloo en Canadá, está trabajando en un dispositivo que forma parte de un proyecto más grande para desarrollar un radar cuántico. Sus usuarios previstos: estaciones en el Ártico administradas por el Comando de Defensa Aeroespacial de América del Norte, o NORAD, una organización conjunta de Estados Unidos y Canadá.
La máquina de Baugh genera pares de fotones que están entrelazados, un fenómeno que significa que las partículas de luz comparten un solo estado cuántico. Un cambio en un fotón influye inmediatamente en el estado del otro, incluso si están separados por grandes distancias.
El radar cuántico funciona tomando un fotón de cada par generado y disparándolo en un haz de microondas. El otro fotón de cada par se retiene dentro del sistema de radar.
Equipo de un prototipo de sistema de radar cuántico fabricado por China Electronics Technology Group Corporation Imaginechina a través de AP Images
Solo unos pocos de los fotones enviados se reflejarán si golpean un avión furtivo. Un radar convencional no podría distinguir estos fotones que regresan de la masa de otros entrantes creados por fenómenos naturales o por dispositivos de interferencia de radar. Pero un radar cuántico puede buscar evidencia de que los fotones entrantes estén entrelazados con los retenidos. Cualquiera que sea debe haberse originado en la estación de radar. Esto le permite detectar incluso las señales de retorno más débiles en una masa de ruido de fondo.
Baugh advierte que todavía hay grandes desafíos de ingeniería. Estos incluyen el desarrollo de flujos altamente confiables de fotones entrelazados y la construcción de detectores extremadamente sensibles. Es difícil saber si CETC, que ya afirmó en 2016 que su radar podía detectar objetos a una distancia de hasta 100 kilómetros (62 millas), ha resuelto estos desafíos; mantiene en secreto los detalles técnicos de su prototipo.
Seth Lloyd, un profesor del MIT que desarrolló la teoría que sustenta el radar cuántico, dice que, en ausencia de pruebas contundentes, se muestra escéptico ante las afirmaciones de la empresa china. Pero, agrega, el potencial del radar cuántico no está en duda. Cuando finalmente se implemente un dispositivo en pleno funcionamiento, marcará el comienzo del fin de la era del sigilo.
Las ambiciones de China
El trabajo de CETC es parte de un esfuerzo a largo plazo de China para convertirse en un líder mundial en tecnología cuántica. El país está proporcionando generosos fondos para nuevos centros de investigación cuántica en las universidades y está construyendo un centro nacional de investigación para la ciencia cuántica que está programado para abrir en 2020. Ya se adelantó a los EE. UU. en el registro de patentes en comunicaciones cuánticas y criptografía (ver gráfico).
Un estudio de la estrategia cuántica de China publicado en septiembre de 2018 por el Center for a New American Security (CNAS), un grupo de expertos de EE. UU., señaló que el Ejército Popular de Liberación de China (EPL) está reclutando especialistas cuánticos y que las grandes empresas de defensa como China Shipbuilding Industry Corporation (CSIC) están creación de laboratorios cuánticos conjuntos en las universidades. Sin embargo, es difícil determinar exactamente qué proyectos tienen un elemento militar. Hay un grado de opacidad y ambigüedad aquí, y algo de eso puede ser deliberado, dice Elsa Kania, coautora del estudio CNAS.
Los esfuerzos de China se están intensificando justo cuando aumentan los temores de que el ejército de EE. UU. esté perdiendo su ventaja competitiva. Una comisión encargada por el Congreso de revisar la estrategia de defensa de la administración Trump emitió un informe en noviembre de 2018 advirtiendo que el margen de superioridad de EE. UU. está profundamente disminuido en áreas clave y pidió más inversión en nuevas tecnologías de campo de batalla.
Es probable que una de esas tecnologías sean las redes de comunicación cuántica. Los investigadores chinos ya han construido un satélite que puede enviar mensajes cifrados cuánticamente entre lugares distantes, así como una red terrestre que se extiende entre Beijing y Shanghái. Ambos proyectos fueron desarrollados por investigadores científicos, pero el conocimiento y la infraestructura podrían adaptarse fácilmente para uso militar.
Las redes se basan en un enfoque conocido como distribución de clave cuántica (QKD). Los mensajes se codifican en forma de bits clásicos y las claves criptográficas necesarias para decodificarlos se envían como bits cuánticos o qubits. Estos qubits suelen ser fotones que pueden viajar fácilmente a través de redes de fibra óptica o a través de la atmósfera. Si un enemigo intenta interceptar y leer los qubits, esto destruye inmediatamente su delicado estado cuántico, borrando la información que llevan y dejando una señal reveladora de una intrusión.
La tecnología QKD aún no es totalmente segura. Las redes terrestres largas requieren estaciones de paso similares a los repetidores que aumentan las señales a lo largo de un cable de datos ordinario. En estas estaciones, las claves se descodifican en forma clásica antes de volver a codificarse en forma cuántica y enviarse a la siguiente estación. Si bien las claves están en forma clásica, un enemigo podría piratearlas y copiarlas sin ser detectado.
Para superar este problema, un equipo de investigadores del Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. en Adelphi, Maryland, está trabajando en un enfoque llamado teletransportación cuántica. Esto implica usar el entrelazamiento para transferir datos entre un qubit en poder de un remitente y otro en poder de un receptor, utilizando lo que equivale a una especie de cable de datos cuánticos virtual de una sola vez. (Hay una descripción más detallada aquí).
Michael Brodsky, uno de los investigadores, dice que él y sus colegas han estado trabajando en una serie de desafíos técnicos, incluida la búsqueda de formas de garantizar que el delicado estado cuántico de los qubits no se interrumpa durante la transmisión a través de redes de fibra óptica. La tecnología aún está confinada a un laboratorio, pero el equipo dice que ahora es lo suficientemente robusta como para probarla en el exterior. Los estantes se pueden poner en camiones y los camiones se pueden mover al campo, explica Brodsky.
Puede que no pase mucho tiempo antes de que China pruebe su propio sistema de teletransportación cuántica. Los investigadores ya están construyendo la red de fibra óptica que se extenderá desde la ciudad de Zhuhai, cerca de Macao, hasta algunas islas de Hong Kong.
brújula cuántica
Los investigadores también están explorando el uso de enfoques cuánticos para ofrecer herramientas de navegación más precisas e infalibles a los militares. Los aviones y buques de guerra estadounidenses ya dependen de relojes atómicos precisos para saber dónde se encuentran. Pero también cuentan con señales del Sistema de Posicionamiento Global (GPS), una red de satélites que orbitan la Tierra. Esto representa un riesgo porque un enemigo podría falsificar o suplantar las señales de GPS, o bloquearlas por completo.
Lockheed Martin cree que los marineros estadounidenses podrían usar una brújula cuántica basada en diamantes sintéticos microscópicos con fallas atómicas conocidas como centros de vacantes de nitrógeno o centros NV. Estos defectos cuánticos en la red de diamantes se pueden aprovechar para formar un magnetómetro extremadamente preciso. Hacer brillar un láser sobre diamantes con centros NV hace que emitan luz a una intensidad que varía según el campo magnético circundante.
Wikimedia Commons
Ned Allen, científico jefe de Lockheed, dice que el magnetómetro es excelente para detectar anomalías magnéticas: variaciones distintivas en el campo magnético de la Tierra causadas por depósitos magnéticos o formaciones rocosas. ya hay mapas detallados de estas anomalías hechas por estudios satelitales y terrestres. Al comparar las anomalías detectadas con el magnetómetro con estos mapas, los navegantes pueden determinar dónde se encuentran. Debido a que el magnetómetro también indica la orientación de los campos magnéticos, los barcos y submarinos pueden usarlos para determinar en qué dirección se dirigen.
El ejército de China está claramente preocupado por las amenazas a su propia versión de GPS, conocida como BeiDou. La investigación sobre tecnología de detección y navegación cuántica está en marcha en varios institutos de todo el país, según el informe de CNAS.
Además de usarse para la navegación, los magnetómetros también pueden detectar y rastrear el movimiento de grandes objetos metálicos, como submarinos, por las fluctuaciones que provocan en los campos magnéticos locales. Debido a que son muy sensibles, los magnetómetros se interrumpen fácilmente por el ruido de fondo, por lo que por ahora se utilizan para la detección solo a distancias muy cortas. Pero el año pasado, la Academia de Ciencias de China dejó escapar que algunos investigadores chinos habían encontrado una manera de compensar esto utilizando tecnología cuántica. Eso podría significar que los dispositivos podrían usarse en el futuro para detectar submarinos a distancias mucho más largas.
una carrera reñida
Todavía es pronto para el uso de tecnologías cuánticas por parte de los militares. No hay garantía de que funcionen bien a escala o en situaciones de conflicto donde la confiabilidad absoluta es esencial. Pero si tienen éxito, el cifrado cuántico y el radar cuántico podrían tener un impacto particularmente grande. El descifrado de códigos y el radar ayudaron a cambiar el curso de la Segunda Guerra Mundial. Las comunicaciones cuánticas podrían hacer que robar mensajes secretos sea mucho más difícil o imposible. El radar cuántico haría que los aviones furtivos fueran tan visibles como los ordinarios. Ambas cosas cambiarían el juego.
También es demasiado pronto para decir si será China o EE. UU. quien gane la carrera armamentística cuántica, o si conducirá a un punto muerto al estilo de la Guerra Fría. Pero el dinero que China está invirtiendo en la investigación cuántica es una señal de su determinación de tomar la iniciativa.
China también ha logrado cultivar estrechas relaciones de trabajo entre institutos de investigación gubernamentales, universidades y empresas como CSIC y CETC. EE. UU., en comparación, acaba de aprobar una legislación para crear un plan nacional para coordinar los esfuerzos públicos y privados. El retraso en la adopción de este enfoque ha llevado a muchos proyectos aislados y podría retrasar el desarrollo de aplicaciones militares útiles. Estamos tratando de lograr que la comunidad de investigación adopte un enfoque más sistémico, dice Brodsky, el experto cuántico del ejército de EE. UU.
Aún así, el ejército estadounidense tiene algunas ventajas claras sobre el EPL. El Departamento de Defensa ha estado invirtiendo en investigación cuántica durante mucho tiempo, al igual que las agencias de espionaje estadounidenses. El conocimiento generado ayuda a explicar por qué las empresas estadounidenses lideran áreas como el desarrollo de poderosas computadoras cuánticas, que aprovechan los qubits entrelazados para generar inmensas cantidades de poder de procesamiento.
El ejército estadounidense también puede aprovechar el trabajo realizado por sus aliados y por una comunidad de investigación académica vibrante en casa. La investigación de radar de Baugh, por ejemplo, está financiada por el gobierno canadiense, y EE. UU. está planeando una iniciativa de investigación conjunta con sus socios militares más cercanos (Canadá, Reino Unido, Australia y Nueva Zelanda) en áreas como la navegación cuántica.
Todo esto le ha dado a Estados Unidos una ventaja en la carrera armamentista cuántica. Pero el impresionante esfuerzo de China por impulsar la investigación cuántica significa que la brecha entre ellos se está cerrando rápidamente.