Nobel 2022 und Quantentechnologien in Verteidigung und Sicherheit

(Di Antonino Lombardi)
08/10/22

Die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften ausgezeichnet Alain AspektJohn F. ClauserAnton Zeilinger mit dem Nobelpreis für Physik 2022 „für Experimente mit verschränkten Photonen, Nachweis der Verletzung der Bellschen Ungleichungen und wegweisende Quanteninformationswissenschaft“.

Die Forschung schreitet immer mehr auf Gebieten wie Quantencomputern und sicherer quantenverschlüsselter Kommunikation voran, und der Wendepunkt ist die Quantenmechanik1 (MQ) lässt zu, dass zwei oder mehr Teilchen in einem sogenannten Zustand existieren verstrickt. Was mit einem der Teilchen in einem verschränkten Paar passiert, bestimmt, was mit dem anderen Teilchen passiert, selbst wenn sie sehr weit voneinander entfernt sind.

Quantentechnologien sind Dual-Use-Technologien und als solche für die Verteidigungs- und Sicherheitsindustrie sowie für militärische und staatliche Stellen von Interesse. Quantentechnologien für militärische Anwendungen führen neue Fähigkeiten ein, verbessern die Effektivität und erhöhen die Genauigkeit und führen so zu „Quantenkrieg“2. Die Quantentechnologie bringt nicht grundsätzlich neue Waffen oder autonome militärische Systeme, sondern verbessert die Messfähigkeit, Erkennung, Genauigkeit und Rechenleistung und -effizienz aktueller und zukünftiger Militärtechnologie erheblich. 

Aber was sind die möglichen zukünftigen Anwendungen von Technologien, die sich aus Studien der Quantenphysik ableiten?

Sicher ist, dass das vollständige Verständnis der Quantenmechanik nicht gerade eine sehr einfache Übung ist "Stellt erhebliche konzeptionelle und formale Hindernisse dar und erfordert eine Änderung der Denk-, Vorstellungs- und Argumentationsweisen, die sehr ermüdend sein kann."3 Obwohl wir uns dessen oft nicht bewusst sind, haben wir die aus dem QM hervorgehenden Technologien vor Augen. Beispiele für die erste Generation von Quantentechnologien sind Halbleiter und Transistoren; jetzt, mit den fortgeschrittenen Studien zur Überlagerung ed Verstrickung die zweite Generation ist im Gange

Hier werden wir versuchen, uns ziemlich komplexen Themen zu nähern, indem wir uns des Reizes berauben, einige Konzepte, wenn auch grundlegende, der Quantenmechanik und fortgeschrittener mathematischer Begriffe nachzuvollziehen und aufzudecken, um sie zu unterstützen, in der Hoffnung, komplizierte Konzepte erfolgreich mit "einfachen" Worten auszudrücken.

Wir können sagen, dass die Quantenmechanik Materie und Strahlung in all ihren Aspekten beschreibt, insbesondere in Bezug auf mikroskopische Phänomene, die auf atomarer Ebene auftreten. Quantengesetze sind nicht deterministisch, sondern probabilistisch. Das heißt, sie können nicht die Ereignisse vorhersagen, die in der Evolution eines physikalischen Systems passieren werden, sondern nur die Wahrscheinlichkeiten, mit denen verschiedene Ereignisse eintreten können.

Dieser probabilistische Ansatz hat zu einem besseren Verständnis einiger Schlüsseleigenschaften von Quantenteilchen geführt, die Quantentechnologien zugrunde liegen, insbesondere "Superposition" undVerschränkung Förderung der Entwicklung solcher Technologien der nächsten Generation wie Quantensensorik, Quantencomputing und Quantencomputing.

Im Zusammenhang mit Verteidigung und Sicherheit werden wir ganz kurz einige Anwendungen analysieren, die sich aus den Studien zur Quantenmechanik ergeben.

Quantensensoren erreichen extreme Präzision, indem sie die Quantennatur der Materie ausnutzen, indem sie beispielsweise die Differenz zwischen Elektronen in verschiedenen Energiezuständen als Grundeinheit verwenden. Sie könnten bei der Ortung von U-Booten und Flugzeugen eingesetzt werden List sowie die Ermöglichung der Navigation ohne die Notwendigkeit externer Referenzen wie GPS unter Verwendung von Quanten-PNT-Geräten (Positionierungs-, Navigations- und Zeitmessgeräte).

Quantentechnologien können i Ortungs-, Navigations- und Zeitmesssysteme (PNT), insbesondere Trägheitsnavigation. Der Quantenvorteil wird sich für GPS-Betriebsumgebungen manifestieren, wodurch präzise Operationen durchgeführt werden können.

Aktuelle GNSS (Global Navigation Satellite System) basieren auf präzisen Zeiten, die von mehreren Atomuhren in einzelnen Satelliten bereitgestellt werden, die von den stabilsten Atomuhren der Erde korrigiert werden. Die höhere Genauigkeit der Quantenuhr wird auch die Genauigkeit der Positionierung und Navigation erhöhen. GNSS-Technologie unterliegt Einklemmen und in unterirdischen oder unterseeischen Umgebungen ist es überhaupt nicht verfügbar. Die Lösung ist da Trägheitsnavigation. Das Problem bei der klassischen Trägheitsnavigation ist der Genauigkeitsverlust im Laufe der Zeit (Abdrift von 1,8 km / Tag für Schiffe und U-Boote und 1,5 km / Stunde für Militärflugzeuge). Für eine moderne Armee ist es zur Verbesserung der Schlachtfeldoperationen unerlässlich, so genaue Messungen wie möglich zu haben. In der Quanten-Unterwasserkriegsführung sind U-Boote möglicherweise die ersten, die die Quantenträgheitsnavigation übernehmen, indem sie Quantenmagnetometer als primäres Werkzeug zur Erkennung von U-Booten oder U-Boot-Minen verwenden, indem sie Quantenfotodetektoren, Radar, Lidar oder schwerkraftbasierte Erkennung anwenden.

Ein weiteres Feld ist dieBildgebung Quantum, das Anwendungen wie Quantenradar bietet, die für die verwendet werden könnten Weltraumkrieg. Die theoretischen Vorteile und Eigenschaften des Quantenradars sind ein größerer Widerstand Einklemmen und andere Gegenmaßnahmen zur elektronischen Kriegsführung; die Ausgangssignalstärke ist so gering, dass sie für Maßnahmen der elektronischen Kriegsführung unsichtbar ist. Neben den hohen Kosten bleibt Skepsis bezüglich Stealth Target Detection oder Jam Resistenz.

Andere Anwendungen in der Industrie beziehen sich auf Quanten-Lidar, das optische oder quasi-optische Photonen verwendet und zur Zielbeleuchtung auf kurze Distanzen durch den Betrieb eines Anti-Drohnen-Überwachungsradars oder als Teil eines Komplexes verwendet werden könnte Kurzstrecken-Luftverteidigung.

Quantum Computing bringt die sogenannte „Quantenbedrohung“ mit sich und wie für das Militär bekannt, sind sichere Kommunikation und Information von größter Bedeutung. Nobelpreisträger Zeilinger zeigte ein Phänomen namens Quantenteleportation die effektiv die Übertragung von Informationen aus der Ferne ermöglicht.

In der klassischen Informationswissenschaft ist der Elementarvektor der Information ein Bit, das nur 0 oder 1 sein kann. Der Elementarvektor der Quanteninformation ist das Quantenbit, Qubit. Ein Qubit kann | 0⟩ | 0⟩ oder | 1⟩ | 1⟩4, oder eine beliebige komplexe Linearkombination von Zuständen | 0⟩ | 0⟩ und | 1⟩ | 1 ° Quantensuperposition genannt. Die andere wichtige Eigenschaft ist dieQuantenverschränkung. Es bezieht sich auf eine starke Korrelation zwischen zwei oder mehr Qubits.

Während klassische Computer Berechnungen mit Binärziffern (0 oder 1) durchführen, stellen Quantencomputer Informationen durch Qubits dar, die sich gleichzeitig in beiden Zuständen befinden und sich auch ohne physische Verbindung gegenseitig beeinflussen können. Weitere Unterschiede sind die CD Interferenz das heißt, die Möglichkeit, qbits zu sein verwickelt das miteinander verflochten werden soll, was zu einer engen Korrelation zwischen ihnen führt.

L'Verschränkung Die gemeinsame Nutzung auf globaler Ebene wird es Quantencomputern ermöglichen, zusammenzuarbeiten, um komplexe Probleme zu lösen, die mit heutigen Supercomputern nicht zugänglich sind

Wie bereits erwähnt, demonstrierte Zeilinger die Teleportation des Zustands einzelner Qubits und zeigte auch, wie die gemeinsame Verschränkung in gemeinsame geheime Schlüssel umgewandelt werden kann, die eine sichere Kommunikation ermöglichen würden, deren Sicherheitsversprechen sich aus der Tatsache ableiten, dass die Gesetze der Quantenphysik wahr sind. Quantencomputer, die in der Lage sind, eine beträchtliche Anzahl von Berechnungen gleichzeitig durchzuführen, können Anwendungen haben wie "Faktorisierung ganzer Zahlen, die die Entschlüsselung der am häufigsten verwendeten IT-Sicherheitsprotokolle ermöglicht". Quantennetzwerke "Sie versprechen einen inhärent sicheren Kommunikationsmechanismus, der die sichere Übertragung von Informationen ermöglicht, selbst wenn sie von Gegnern mit Quantencomputern angegriffen werden."

Die erste Anwendung der Quantenkommunikation wird aufgerufen Quantenschlüsselverteilung (QKD), das Quantenteilchen für den Austausch kryptografischer Schlüssel verwendet. Bei QKD werden die eigentlichen Daten mit normalen Bits über eine herkömmliche Kommunikationsinfrastruktur übertragen, die zum Entschlüsseln der Daten erforderlichen kryptografischen Schlüssel werden jedoch separat mit Quantenpartikeln übertragen. Für die Verteidigung wird diese Technologie interessant, wenn Langstreckenkommunikation mit MDI-QKD oder Quantenrepeatern möglich wird. Gegenwärtig ist eine grundlegende kommerzielle Technologie verfügbar, die zuverlässige Repeater verwendet. Neben dem QKD könnte das Quantennetzwerk für die sichere Quantendirektkommunikation (QSDC) zwischen dem Weltraum, Spezialeinheiten, der Marine und Landressourcen verwendet werden. 

Die andere Anwendung ist die Quantenkryptographie standortbasiert, das eine sicherere Kommunikation bieten kann, bei der Informationen, auf die zugegriffen wird, nur von einem bestimmten geografischen Standort aus verfügbar sind, wie z. B. die Kommunikation mit Militärsatelliten nur von bestimmten Militärbasen aus.

Militärische Technologien haben höhere Anforderungen als industrielle oder öffentliche Anwendungen. Quantentechnologien können alle Bereiche der modernen Kriegsführung beeinflussen. Die zweite Quantenrevolution wird die Empfindlichkeit und Effizienz verbessern, neue Fähigkeiten einführen und moderne Kriegstechniken verfeinern, anstatt zu neuen Waffentypen zu führen. Vergessen wir nicht, dass viele Anwendungen sogar eher theoretischer als realistischer Natur sind und Fortschritte im Labor außerhalb davon nicht immer mit dem gleichen Erfolg umgesetzt werden.

1 Die Quantenkriegsführung ist ein Krieg, der Quantentechnologien für militärische Anwendungen nutzt, die die Aufklärungs-, Sicherheits- und Verteidigungsfähigkeiten aller Bereiche der Kriegsführung betreffen, und neue militärische Strategien, Doktrinen, Szenarien und Frieden sowie ethische Fragen einführt.

2 DJ Griffiths „Einführung in die Quantenmechanik"; G. Nardulli „Quantenmechanik Bände. 1 - 2 "

3 U. Besson "Didaktik der Physik"

4 Bra-Ket-Notation oder Dirac-Formalismus.

@ Alle Rechte vorbehalten

rheinmetal defensive