Carrera armamentística: La vía cuántica enfrenta a China y USA

Los Estados Unidos y China están en una carrera de armamentos cuánticos que transformará la guerra

Los radares que pueden detectar aviones ocultos y otras innovaciones cuánticas podrían dar a sus militares una ventaja estratégica.
por Martin Giles | MIT Technology Review




En la década de 1970, en el momento culminante de la Guerra Fría, los planificadores militares estadounidenses empezaron a preocuparse por la amenaza a los aviones de guerra estadounidenses planteada por las nuevas defensas de misiles guiadas por radar en la URSS y otras naciones. En respuesta, los ingenieros de lugares como el famoso "Skunk Works" del gigante de la defensa estadounidense Lockheed Martin intensificaron el trabajo en tecnología de sigilo 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 volante" del bombardero B-2 de EE. UU. (Arriba), así como materiales a base de carbono y pinturas novedosas. La tecnología sigilosa no es todavía una capa de invisibilidad similar a la de Harry Potter: incluso los aviones de combate más avanzados de la actualidad aún 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 inadvertida.

China y Rusia han conseguido desde entonces aviones ocultos, pero los Estados Unidos siguen siendo 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 bajo amenaza. En noviembre de 2018, la Corporación del Grupo de Tecnología Electrónica de China (CETC, por sus siglas en inglés), la mayor compañía de electrónica de defensa de China, reveló un prototipo de radar que, según afirma, puede detectar aviones en vuelo. El radar utiliza algunos de los fenómenos exóticos de la física cuántica para ayudar a revelar las ubicaciones de los aviones.

Es solo una de las varias tecnologías de inspiración cuántica que podrían cambiar la faz de la guerra. Además de aeronaves no silenciosas, podrían reforzar la seguridad de las comunicaciones en el campo de batalla y afectar la capacidad de los submarinos para navegar los océanos sin ser detectados. La búsqueda de estas tecnologías está desencadenando una nueva carrera de armamentos entre los EE. UU. y China, que considera la era cuántica emergente como una oportunidad única en la vida para ganar ventaja sobre su rival en tecnología militar.

Cazador de furtividad

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 estadounidense-canadiense.

La máquina de Baugh genera pares de fotones que están "enredados", un fenómeno que significa que las partículas de luz comparten un estado cuántico único. Un cambio en un fotón influye inmediatamente en el estado del otro, incluso si están separados por grandes distancias.

El radar Quantum 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 via AP Images

Solo unos pocos de los fotones enviados se reflejarán de nuevo si golpean un avión invisible. Un radar convencional no podría distinguir estos fotones de retorno de la masa de otros entrantes creados por fenómenos naturales, o por dispositivos de bloqueo de radar. Pero un radar cuántico puede verificar la evidencia de que los fotones entrantes están enredados con los retenidos. Cualquiera que se haya 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 enredados y la construcción de detectores extremadamente sensibles. Es difícil saber si CETC, que ya afirmó en 2016 que su radar podría detectar objetos a una distancia de hasta 100 kilómetros (62 millas), ha resuelto estos desafíos; es mantener 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 ante la falta de pruebas sólidas, se muestra escéptico ante las afirmaciones de la compañía china. Pero, agrega, el potencial del radar cuántico no está en duda. Cuando finalmente se implemente un dispositivo que funcione completamente, marcará el comienzo del fin de la era del sigilo.

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 una generosa financiación para los nuevos centros de investigación cuántica en las universidades y está construyendo un centro nacional de investigación para la ciencia cuántica que se abrirá en 2020. Ya se adelantó a los EE. UU. al registrar patentes en comunicaciones y criptografía cuánticas (consulte la gráfica abajo).


Número de familias de patentes registradas por año en comunicaciones cuánticas y criptografía, por país líder

Un estudio de la estrategia cuántica de China, publicado en septiembre de 2018 por el Centro para una Nueva Seguridad Americana (CNAS), un grupo de expertos de EE. UU., señaló que el Ejército de Liberación Popular de China (EPL) está reclutando especialistas en cuántica, y que grandes empresas de defensa como China Shipbuilding Industry Corporation (CSIC) está creando laboratorios cuánticos conjuntos en las universidades. Sin embargo, determinar qué proyectos tienen un elemento militar es difícil. "Hay un grado de opacidad y ambigüedad aquí, y parte de eso puede ser deliberado", dice Elsa Kania, coautora del estudio CNAS.

Los esfuerzos de China están aumentando a medida que aumentan los temores de que el ejército estadounidense esté perdiendo su ventaja competitiva. Una comisión encargada por el Congreso de revisar la estrategia de defensa de la administración de Trump emitió un informe en noviembre de 2018 advirtiendo que el margen de superioridad de los Estados Unidos "está profundamente disminuido en áreas clave" y pidió una mayor inversión en nuevas tecnologías para el 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 ubicaciones distantes, así como una red terrestre que se extiende entre Beijing y Shanghai. Ambos proyectos fueron desarrollados por investigadores científicos, pero los conocimientos técnicos 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 son típicamente 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 un signo revelador de una intrusión.

La tecnología QKD no es totalmente segura todavía. Las redes terrestres largas requieren estaciones de paso similares a los repetidores que aumentan las señales a lo largo de un cable de datos común. En estas estaciones, las claves se decodifican en forma clásica antes de ser recodificadas en forma cuántica y enviadas a la siguiente estación. Mientras que las llaves están en forma clásica, un enemigo podría piratearlas y copiarlas sin ser detectadas.

Para superar este problema, un equipo de investigadores del Laboratorio de Investigación del Ejército de los EE. UU. en Adelphi, Maryland, está trabajando en un enfoque llamado teletransportación cuántica. Esto implica el uso de enredos para transferir datos entre un qubit en poder de un remitente y otro en poder de un receptor, utilizando lo que equivale a un tipo de cable de datos cuánticos virtual y 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, entre ellos encontrar formas de garantizar que el delicado estado cuántico de los qubits no se vea afectado durante la transmisión a través de redes de fibra óptica. La tecnología aún se limita a un laboratorio, pero el equipo dice que ahora es lo suficientemente robusto como para ser probado en el exterior. "Los bastidores se pueden colocar en camiones y los camiones se pueden mover al campo", explica Brodsky.

Puede que no pase mucho tiempo antes de que China esté probando su propio sistema de teletransportación cuántica. Los investigadores ya están construyendo la red de fibra óptica para una que se extenderá desde la ciudad de Zhuhai, cerca de Macao, hasta algunas islas en Hong Kong.

Brújula cuántica

Los investigadores también están explorando el uso de enfoques cuánticos para entregar herramientas de navegación más precisas e infalibles para los militares. Las aeronaves y embarcaciones navales de los EE. UU. ya cuentan con relojes atómicos precisos para ayudarles a rastrear dónde se encuentran. Pero también cuentan con las señales del Sistema de posicionamiento global (GPS), una red de satélites que orbitan la Tierra. Esto plantea un riesgo porque un enemigo podría falsificar, o "falsificar" las señales de GPS, o bloquearlas por completo.

Lockheed Martin cree que los navegantes 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 del diamante se pueden aprovechar para formar un magnetómetro extremadamente preciso. El brillo de un láser en 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 existen mapas detallados de estas anomalías realizados por satélite y estudios terrestres. Al comparar las anomalías detectadas con el magnetómetro con estos mapas, los navegadores 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. Según el informe CNAS, se están realizando investigaciones sobre la tecnología de detección y navegación cuántica en varios institutos de todo el país.

Además de ser utilizados para la navegación, los magnetómetros también pueden detectar y rastrear el movimiento de grandes objetos metálicos, como los submarinos, por las fluctuaciones que causan 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 solo se utilizan para la detección en 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 rangos mucho más largos.

Una carrera cerrada

Todavía es pronto para el uso militar de las tecnologías cuánticas. No hay garantía de que funcionen bien a escala, o en situaciones de conflicto donde la fiabilidad 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 sigilosos sean tan visibles como los ordinarios. Ambas cosas cambiarían el juego.

También es demasiado pronto para saber si será China o los Estados Unidos los que saldrán ganando en la carrera de armamentos cuánticos, o si conducirá a un estancamiento al estilo de la Guerra Fría. Pero el dinero que China está invirtiendo en la investigación cuántica es una señal de cuán determinado está a la cabeza.

China también ha logrado establecer relaciones de trabajo estrechas entre institutos de investigación gubernamentales, universidades y empresas como CSIC y CETC. En comparación, Estados Unidos acaba de aprobar una ley para crear un plan nacional para coordinar los esfuerzos públicos y privados. La demora 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 sistemático de los sistemas", dice Brodsky, el experto cuántico del ejército de EE. UU.

Sin embargo, el ejército de los Estados Unidos 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 de los Estados Unidos. El conocimiento generado ayuda a explicar por qué las compañías de EE. UU. lideran áreas como el desarrollo de potentes computadoras cuánticas, que aprovechan qubits enredados para generar inmensas cantidades de poder de procesamiento.

El ejército estadounidense también puede aprovechar el trabajo realizado por sus aliados y por una vibrante comunidad de investigación académica en el hogar. 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, el 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 de armamentos cuántica. Pero el impresionante esfuerzo de China para impulsar la investigación cuántica significa que la brecha entre ellos se está cerrando rápidamente.