Kvantové bojiště?

Kvantové bojiště (quantum warfare, QW) vzdálená nebo blízká budoucnost? Znamená to, že budeme mít nějaké kvantové zbraně jako fotonová torpéda nebo paprsek po jehož zásahu se nepřítel vypaří? A nepoužívá se kvantová mechanika aplikovaná ve vojenství už nyní? V rámci tohoto textu se podíváme na současnou realitu a očekávání do blízké budoucnosti.

Kvantová mechanika již v současnosti důležitou částí lidské civilizace a má mnohé aplikace přímé i nepřímé i ve vojenství. Kvantové mechanika pomohla k pochopení celé chemie a dala jí řádný smysl a pochopní, pomohla porozumět jaderné fyzice a ta pak vedla k jaderným zbraním, popsala principy polovodičů, které jsou bez nadsázky dnes téměř všude. V neposlední době se kvantová mechanika používá i v případě laserů, jejich význam ve vojenství nyní až raketově stoupá. Nyní se však podíváme na přímé aplikace kvantové mechaniky a její použitelnosti ve vojenství. Můžeme to nazývat něco jako kvantový boj, nicméně se jedná přímo o zbraně jako takové. Alespoň zatím ne.

Poslední dva-tři roky se různé instituce ať už vojenské nebo civilní zajímají o současné kvantové technologie, jejich aplikaci a stupni vývoje. Tyto dokumenty se staly jsou předlohou tohoto článku. Pro detailní čtení můžeme čtenáře odkázat např. na:

  • Utility of Quantum Systems for the Air Force, USAF, 2015, pdf [english]
  • Quantum Technologies: Implications for European Policy : Issues for Debate, EU, 2015, www [english]
  • Quantum Technologies, UK parliament, 2017, www [english]
  • Chinese Efforts in Quantum Information Science: Drivers, Milestones, and Strategic Implications, US, 2017, pdf [english]

V následujícím textu se zaměříme jen na oblasti, které přinášejí pokrok do oblasti radarů a elektronického boje. Rovněž není snahou tohoto článku objasnit principy kvantové mechaniky. Pro tento případ čtenáře odkážeme na Wikipedii nebo na výše zmíněnou literaturu.

Kvantové navigační senzory

Již v následujících 5-10 letech lze očekávat testování prototypů využívajících nových typů měření založených na interferometrii studených atomů. Studené atomy jsou atomy, které se pohybují poměrně pomalu a pomaleji i interagují, což umožňuje přesnější měření. S tímto měřením pak můžeme přesně měřit gravitaci, zrychlení nebo rotaci. Již dnes jsou dostupné kvantové gravitační senzory, které jsou schopné zmapovat tunely nebo dokonce i potrubí pod zemí.

Hlavní využití se očekává pro kvantovou inerciální navigaci, která by byla velmi přesná a prakticky by nešla zarušit na rozdíl od současné navigaci založené na GPS. Taková navigace by byla velice malá a šla by použít všude, pod zemí, pod vodou nebo v silně zarušeném prostředí. Oproti současným inerciálním detektorům ty kvantové by měly přinést menší rozměry, vetší spolehlivost a mnohem větší přesnost. Pro příklad si vezměme pokročilou inerciální námořní navigaci. Ta každé tři dny na moři naakumuluje chybu až 1.8 km. V případě kvantových senzor se chyba očekává v řádech stovek metrů za měsíc.

Měření času

Současné měření času je založeno na měření opakujícího se děje, nějakého oscilátoru. Např. v případě velmi přesných atomových hodin se měří oscilace elektronů v atomu. Atomové hodiny v současnosti tvoří standard pro současné měření času. Tvoří rovněž základ současných navigačních systémů GNSS jako je GPS nebo Gallileo.

Kvantové hodiny jsou založeny na měření jednotlivých zchlazených iontů v elektromagnetické pasti. Vůči současným standardním atomovým hodinám jsou 37 krát přesnější, resp. chyby 1 sekundy dosáhnou za 3.6 miliardy let, zatímco současné atomové hodiny za 100 milionů let.

Kvantové hodiny mohou zpřesnit současné GNSS navigace, ale pomohou i všude, kde je potřeba přesná synchronizace, komunikace nebo vzorkování, tzn. v oblasti elektronického boje, SIGINT či counter-DRFM (digital radio frequency memory). Největší současnou výzvou je miniaturizace kvantových hodin pro reálné nasazení, které se očekává cca za 10 let.

Kvantové zobrazování

Pro spoustu činností, včetně ve vojenství se používá EM spektrum, kde máme nejrůznější senzory, detektory či kamery podle type EM záření – viditelné světlo, ultrafialové, infračervené, rádiové, mikrovlnné apod. Z hlediska fyziky se však ve všech případech jedná pouze o foton, který má různou energii, resp. vlnovou délku. V současnosti se pracuje na detektorech a systémech, které budou schopné změřit jednotlivé fotony, kterých je obrovské množství v závislosti na vlnové délce a zdrojích a mezi nimi najít ty „naše“ fotony za využití např. fenoménu kvantového provázání.

Jedním z velkých uplatnění těchto senzorů bude pro kvantové radary, které budou moci používat jednotlivé fotony a rozeznat je i v silně zarušeném prostředí například pomocí metody kvantové iluminace. Plně funkční kvantový radar by pak byl schopný vidět i stealth letadla, byl by těžko zarušitelný a obtížně lokalizovatelný. Plnohodnotný kvantový radar lze očekávat zhruba do půlky tohoto století.

Dalším uplatněním mají být laserové systémy pro získání 3D obrazu nebo schopnost „vidět za roh“ na základě odrazů fotonů. Velmi slibnou technikou je např. tzv. „Ghost imaging“, která umožňuje klasickými velmi citlivými kamerami zobrazit objekt, zatímco samotný objekt je zasažen infračerveným zářením, které nelze detekovat s takovým rozlišením jako viditelné světlo. I tato metoda využívá kvantového provázání. Změnou vlnové délky infračerveného světla pak lze zjistit i chemické složení objektu. Některé tyto aplikace jsou již k dispozici a další jsou otázkou blízkých let.

Bezpečná komunikace a kryptografie

Kvantová mechanika a její principy již byly úspěšně aplikovány na jednu z nejdůležitějších části šifrování a to na přenos klíče. Zde mluvíme o tzv. kvantové distribuci klíče (Quantum Key Distribution - QKD), která rovněž využívá principu kvantového provázání a hlavní výhodou tohoto způsobu přenosu klíče je, že poznáte, jestli jste byli odposlechnuti a tím pádem šifrovací klíč je bezcenný.

V této oblasti je velice vepředu Čína, která již má od roku 2016 satelit pro kvantovou distribuci klíče a v současnosti se zaměřuje na zlepšení efektivity, maximální vzdálenosti, spolehlivosti a minimalizaci počtu nutných fotonů. V roce 2030 by Čína chtěla mít globální kvantově zabezpečenou síť.

Kvantové počítače

Téma kvantových počítačů a popis co vše by mohly či již mohou dokázat by vydalo na samostatnou knihu. V současnosti již existují první prototypy kvantových počítačů, které ale pracují jen s jednotky či desítky qubitů. Obecně by kvantové počítače měly být rychlejší a mít větší paměť. Speciálně je lze použít pro faktorizaci čísel, vyhledávání ve velkém objemu dat, řešení velkého množství rovnic s velkým množstvím parametrů či simulace.

Např. US Air Force je chce používat na výpočet radarového účinného průřezu (obzvláště výpočet kvantového radarového účinného průřezu je velice náročně, je potřeba počítat s jednotlivými atomy na povrchu cíle) či pro výpočty v oblasti aerodynamiky. V současnosti je také velice moderní používat umělou inteligenci a kognitivní algoritmy včetně v oblasti elektronického boje. I tady studie ukazují, že kvantové počítače v oblasti umělé inteligence a schopnosti se učit budou mít značnou výhodu nad těmi klasickými.

Nicméně v případě plnohodnotných kvantových počítačů mluvíme ještě poměrně o vzdálené budoucnosti minimálně desítek let.

Závěr

Současné směřování v oblasti aplikovaného výzkumu kvantové mechaniky nevede k nějaké nové oblasti, kterou bychom nazvali kvantové bojiště, ale vede k značnému vylepšení a nárůstu schopností technik současných ať už radarů, zobrazovací techniky či elektronického a kybernetického boje. Některé kvantové systémy jsou již k dispozici a ihned je lze nasadit nebo už jsou nasazené, některé jsou otázkou blízké budoucnosti a některé ještě té daleké.

Leave a Reply