Gli Stati Uniti e la Cina sono in una corsa agli armamenti quantistici che trasformerà la guerra

Mike McQuade

Negli anni '70, al culmine della Guerra Fredda, i pianificatori militari americani iniziarono a preoccuparsi della minaccia per gli aerei da guerra statunitensi rappresentata dalle nuove difese missilistiche a guida radar nell'URSS e in altre nazioni. In risposta, gli ingegneri di luoghi come la famosa Skunk Works del gigante della difesa statunitense Lockheed Martin hanno intensificato il lavoro sulla tecnologia invisibile in grado di proteggere gli aerei dagli occhi indiscreti dei radar nemici.

Le innovazioni che ne sono derivate includono forme insolite che deviano le onde radar, come il design dell'ala volante del bombardiere statunitense B-2 (sopra), nonché materiali a base di carbonio e nuove vernici. La tecnologia stealth non è ancora un mantello dell'invisibilità simile a quello di Harry Potter: anche gli aerei da guerra più avanzati di oggi riflettono ancora alcune onde radar. Ma questi segnali sono così piccoli e deboli che si perdono nel rumore di fondo, permettendo all'aereo di passare inosservato.

Da allora la Cina e la Russia hanno ottenuto i propri velivoli stealth, ma gli americani sono ancora migliori. Hanno dato agli Stati Uniti il ​​vantaggio di lanciare attacchi a sorpresa in campagne come la guerra in Iraq iniziata nel 2003.

Questo vantaggio è ora minacciato. Nel novembre 2018, China Electronics Technology Group Corporation (CETC), la più grande azienda cinese di elettronica per la difesa, ha presentato un prototipo di radar che sostiene sia in grado di rilevare gli aerei stealth in volo. Il radar utilizza alcuni dei fenomeni esotici della fisica quantistica per aiutare a rivelare le posizioni degli aerei.

È solo una delle numerose tecnologie di ispirazione quantistica che potrebbero cambiare il volto della guerra. Oltre a non rubare gli aerei, potrebbero rafforzare la sicurezza delle comunicazioni sul campo di battaglia e influenzare la capacità dei sottomarini di navigare negli oceani senza essere scoperti. La ricerca di queste tecnologie sta innescando una nuova corsa agli armamenti tra Stati Uniti e Cina, che vede l'emergente era quantistica come un'opportunità irripetibile per ottenere il vantaggio sul suo rivale nella tecnologia militare.

Osservatore furtivo

La velocità con cui i progressi quantistici influenzeranno il potere militare dipenderà dal lavoro di ricercatori come Jonathan Baugh. Professore all'Università di Waterloo in Canada, Baugh sta lavorando a un dispositivo che fa parte di un progetto più ampio per lo sviluppo di radar quantistici. I suoi utenti previsti: stazioni nell'Artico gestite dal North American Aerospace Defense Command, o NORAD, un'organizzazione congiunta USA-Canada.

La macchina di Baugh genera coppie di fotoni che sono entangled, un fenomeno che significa che le particelle di luce condividono un unico stato quantistico. Un cambiamento in un fotone influenza immediatamente lo stato dell'altro, anche se sono separati da grandi distanze.

Il radar quantistico funziona prelevando un fotone da ogni coppia generata ed emettendolo in un raggio di microonde. L'altro fotone di ciascuna coppia è trattenuto all'interno del sistema radar.

Apparecchiatura di un prototipo di sistema radar quantistico realizzato da China Electronics Technology Group Corporation Imaginechina tramite AP Images

Solo alcuni dei fotoni inviati verranno riflessi se colpiscono un aereo invisibile. Un radar convenzionale non sarebbe in grado di distinguere questi fotoni di ritorno dalla massa di altri fotoni in arrivo creati da fenomeni naturali o da dispositivi radar-jamming. Ma un radar quantistico può verificare la presenza di prove che i fotoni in arrivo siano intrecciati con quelli trattenuti. Tutti quelli che sono devono aver avuto origine presso la stazione radar. Ciò gli consente di rilevare anche il più debole dei segnali di ritorno in una massa di rumore di fondo.

Baugh avverte che ci sono ancora grandi sfide ingegneristiche. Questi includono lo sviluppo di flussi altamente affidabili di fotoni entangled e la costruzione di rivelatori estremamente sensibili. È difficile sapere se CETC, che già nel 2016 affermava che il suo radar poteva rilevare oggetti fino a 100 chilometri (62 miglia) di distanza, abbia risolto queste sfide; mantiene segreti i dettagli tecnici del suo prototipo.

Seth Lloyd, un professore del MIT che ha sviluppato la teoria alla base del radar quantistico, afferma che, in assenza di prove concrete, è scettico sulle affermazioni dell'azienda cinese. Ma, aggiunge, il potenziale del radar quantistico non è in dubbio. Quando un dispositivo completamente funzionante verrà finalmente distribuito, segnerà l'inizio della fine dell'era stealth.

Le ambizioni della Cina

Il lavoro di CETC fa parte di uno sforzo a lungo termine della Cina per trasformarsi in un leader mondiale nella tecnologia quantistica. Il paese sta fornendo generosi finanziamenti per nuovi centri di ricerca quantistica nelle università e sta costruendo un centro di ricerca nazionale per la scienza quantistica che dovrebbe aprire nel 2020. Ha già superato gli Stati Uniti nella registrazione di brevetti nelle comunicazioni quantistiche e nella crittografia (vedi grafico).

Uno studio sulla strategia quantistica cinese pubblicato nel settembre 2018 dal Center for a New American Security (CNAS), un think tank statunitense, ha osservato che l'Esercito popolare di liberazione cinese (PLA) sta reclutando specialisti quantistici e che le grandi società di difesa come China Shipbuilding Industry Corporation (CSIC) sono creazione di laboratori quantistici congiunti nelle università. Tuttavia, capire esattamente quali progetti hanno un elemento militare è difficile. C'è un certo grado di opacità e ambiguità qui, e alcune di queste potrebbero essere intenzionali, afferma Elsa Kania, coautrice dello studio CNAS.

Gli sforzi della Cina stanno aumentando proprio mentre crescono i timori che l'esercito americano stia perdendo il suo vantaggio competitivo. Emessa una commissione incaricata dal Congresso di rivedere la strategia di difesa dell'amministrazione Trump un report nel novembre 2018 avvertendo che il margine di superiorità degli Stati Uniti è profondamente diminuito in aree chiave e ha chiesto maggiori investimenti in nuove tecnologie sul campo di battaglia.

È probabile che una di queste tecnologie siano le reti di comunicazione quantistica. I ricercatori cinesi hanno già costruito un satellite in grado di inviare messaggi con crittografia quantistica tra località lontane, nonché una rete terrestre che si estende tra Pechino e Shanghai. Entrambi i progetti sono stati sviluppati da ricercatori scientifici, ma il know-how e l'infrastruttura potrebbero essere facilmente adattati per uso militare.

Le reti si basano su un approccio noto come distribuzione di chiavi quantistiche (QKD). I messaggi sono codificati sotto forma di bit classici e le chiavi crittografiche necessarie per decodificarli vengono inviate come bit quantistici o qubit. Questi qubit sono in genere fotoni che possono viaggiare facilmente attraverso reti in fibra ottica o attraverso l'atmosfera. Se un nemico tenta di intercettare e leggere i qubit, questo distrugge immediatamente il loro delicato stato quantistico, cancellando le informazioni che trasportano e lasciando un segno rivelatore di un'intrusione.

La tecnologia QKD non è ancora del tutto sicura. Le reti a terra lunga richiedono stazioni intermedie simili ai ripetitori che potenziano i segnali lungo un normale cavo dati. In queste stazioni, le chiavi vengono decodificate in forma classica prima di essere ricodificate in forma quantistica e inviate alla stazione successiva. Mentre le chiavi sono in forma classica, un nemico potrebbe introdursi e copiarle senza essere rilevato.

Per superare questo problema, un team di ricercatori dell'US Army Research Laboratory di Adelphi, nel Maryland, sta lavorando a un approccio chiamato teletrasporto quantistico. Ciò comporta l'utilizzo dell'entanglement per trasferire i dati tra un qubit trattenuto da un mittente e un altro trattenuto da un ricevitore, utilizzando ciò che equivale a una specie di cavo dati quantistico virtuale, una tantum. (C'è una descrizione più dettagliata qui.)

Michael Brodsky, uno dei ricercatori, afferma che lui e i suoi colleghi hanno lavorato su una serie di sfide tecniche, inclusa la ricerca di modi per garantire che il delicato stato quantistico dei qubit non venga interrotto durante la trasmissione attraverso le reti in fibra ottica. La tecnologia è ancora confinata in un laboratorio, ma il team afferma che ora è abbastanza robusta da poter essere testata all'esterno. Le scaffalature possono essere posizionate su camion e i camion possono essere spostati sul campo, spiega Brodsky.

Potrebbe non passare molto tempo prima che la Cina metta alla prova il proprio sistema di teletrasporto quantistico. I ricercatori stanno già costruendo la rete in fibra ottica che si estenderà dalla città di Zhuhai, vicino a Macao, ad alcune isole di Hong Kong.

Bussola quantistica

I ricercatori stanno anche esplorando l'utilizzo di approcci quantistici per fornire strumenti di navigazione più accurati e infallibili ai militari. Gli aerei e le navi militari statunitensi fanno già affidamento su precisi orologi atomici per tenere traccia di dove si trovano. Ma contano anche sui segnali del Global Positioning System (GPS), una rete di satelliti in orbita attorno alla Terra. Ciò rappresenta un rischio perché un nemico potrebbe falsificare o falsificare i segnali GPS o bloccarli del tutto.

Lockheed Martin pensa che i marinai americani potrebbero usare una bussola quantistica basata su microscopici diamanti sintetici con difetti atomici noti come centri di vacanza di azoto o centri NV. Questi difetti quantistici nel reticolo del diamante possono essere sfruttati per formare un magnetometro estremamente preciso. Fare brillare un laser sui diamanti con centri NV li fa emettere luce a un'intensità che varia a seconda del campo magnetico circostante.

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Ned Allen, il capo scienziato della Lockheed, afferma che il magnetometro è ottimo per rilevare anomalie magnetiche, variazioni distintive nel campo magnetico terrestre causate da depositi magnetici o formazioni rocciose. Ci sono già mappe dettagliate di queste anomalie effettuate da rilievi satellitari e terrestri. Confrontando le anomalie rilevate utilizzando il magnetometro con queste mappe, i navigatori possono determinare dove si trovano. Poiché il magnetometro indica anche l'orientamento dei campi magnetici, navi e sottomarini possono utilizzarli per determinare in quale direzione si stanno dirigendo.

L'esercito cinese è chiaramente preoccupato per le minacce alla propria versione del GPS, nota come BeiDou. La ricerca sulla navigazione quantistica e sulla tecnologia di rilevamento è in corso in vari istituti in tutto il paese, secondo il rapporto del CNAS.

Oltre ad essere utilizzati per la navigazione, i magnetometri possono anche rilevare e tracciare il movimento di grandi oggetti metallici, come i sottomarini, dalle fluttuazioni che provocano nei campi magnetici locali. Poiché sono molto sensibili, i magnetometri sono facilmente disturbati dal rumore di fondo, quindi per ora vengono utilizzati per il rilevamento solo a distanze molto brevi. Ma l'anno scorso, l'Accademia cinese delle scienze si è lasciata sfuggire che alcuni ricercatori cinesi avevano trovato un modo per compensare ciò utilizzando la tecnologia quantistica. Ciò potrebbe significare che i dispositivi potrebbero essere utilizzati in futuro per avvistare i sottomarini a distanze molto più lunghe.

Una gara serrata

Sono ancora i primi tempi per l'uso delle tecnologie quantistiche da parte delle forze armate. Non vi è alcuna garanzia che funzionino bene su larga scala o in situazioni di conflitto in cui l'assoluta affidabilità è essenziale. Ma se avranno successo, la crittografia quantistica e il radar quantistico potrebbero avere un impatto particolarmente grande. La violazione del codice e il radar hanno contribuito a cambiare il corso della seconda guerra mondiale. Le comunicazioni quantistiche potrebbero rendere il furto di messaggi segreti molto più difficile o impossibile. Il radar quantistico renderebbe gli aerei stealth visibili come quelli ordinari. Entrambe le cose cambierebbero il gioco.

È anche troppo presto per dire se saranno la Cina o gli Stati Uniti a vincere nella corsa agli armamenti quantistici, o se porterà a una situazione di stallo in stile Guerra Fredda. Ma i soldi che la Cina sta riversando nella ricerca quantistica sono un segno di quanto sia determinata a prendere l'iniziativa.

La Cina è anche riuscita a coltivare stretti rapporti di lavoro tra istituti di ricerca governativi, università e aziende come CSIC e CETC. Gli Stati Uniti, in confronto, hanno appena approvato una legge per creare un piano nazionale per coordinare gli sforzi pubblici e privati. Il ritardo nell'adozione di un tale approccio ha portato a molti progetti isolati e potrebbe rallentare lo sviluppo di utili applicazioni militari. Stiamo cercando di convincere la comunità di ricerca ad adottare un approccio più sistemico, afferma Brodsky, l'esperto quantistico dell'esercito statunitense.

Tuttavia, l'esercito americano ha alcuni vantaggi distinti rispetto al PLA. Il Dipartimento della Difesa ha investito nella ricerca quantistica per molto tempo, così come le agenzie di spionaggio statunitensi. La conoscenza generata aiuta a spiegare perché le aziende statunitensi guidano in aree come lo sviluppo di potenti computer quantistici, che sfruttano i qubit aggrovigliati per generare enormi quantità di potenza di elaborazione.

L'esercito americano può anche attingere al lavoro svolto dai suoi alleati e da una vivace comunità di ricerca accademica in patria. La ricerca radar di Baugh, ad esempio, è finanziata dal governo canadese e gli Stati Uniti stanno pianificando un'iniziativa di ricerca congiunta con i suoi partner militari più vicini, Canada, Regno Unito, Australia e Nuova Zelanda, in aree come la navigazione quantistica.

Tutto ciò ha dato agli Stati Uniti un vantaggio nella corsa agli armamenti quantistici. Ma l'impressionante sforzo della Cina per potenziare la ricerca quantistica significa che il divario tra loro si sta colmando rapidamente.

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