נובל 2022 וטכנולוגיות קוונטיות בהגנה ובביטחון

(של אנטונינו לומברדי)
08 / 10 / 22

האקדמיה המלכותית השוודית למדעים זכתה בפרס היבט אלןג'ון פ. קלוזר, אנטון זיילינגר עם פרס נובל לפיזיקה לשנת 2022 "עבור ניסויים עם פוטונים סבוכים, לבסס את ההפרה של אי השוויון של בל ומדע המידע הקוונטי החלוצי".

המחקר מתקדם יותר ויותר בתחומים כמו מחשבי קוונטים ותקשורת מוצפנת קוונטית מאובטחת ונקודת המפנה היא כיצד מכניקת הקוונטים1 (MQ) מאפשר לשני חלקיקים או יותר להתקיים במה שנקרא מצב סָבוּך. מה שקורה לאחד החלקיקים בזוג מסובך קובע מה קורה לחלקיק השני, גם אם הם רחוקים מאוד זה מזה.

טכנולוגיות קוונטיות הן טכנולוגיות דו-שימושיות, וככאלה, הן מעניינות את תעשיית הביטחון והביטחון ולסוכנויות צבאיות וממשלתיות. טכנולוגיות קוונטיות ליישומים צבאיים מציגות יכולות חדשות, משפרות את האפקטיביות ומגבירות את הדיוק, ובכך מובילות ל"לוחמה קוונטית"2. הטכנולוגיה הקוונטית אינה מביאה ביסודה כלי נשק חדשים או מערכות צבאיות אוטונומיות אלא משפרת משמעותית את יכולת המדידה, הזיהוי, הדיוק וכוח המחשוב והיעילות של הטכנולוגיה הצבאית הנוכחית והעתידית. 

אבל מהם היישומים העתידיים האפשריים של טכנולוגיות הנובעות מלימודי פיזיקת קוונטים?

מה שבטוח הוא שההבנה המלאה של מכניקת הקוונטים היא לא בדיוק תרגיל פשוט מאוד "מציג מכשולים רעיוניים ופורמליים משמעותיים ודורש שינוי בדרכי החשיבה, הדמיון וההיגיון שיכול להיות מאוד מעייף".3 למרות שלעתים קרובות איננו מודעים לכך, הטכנולוגיות הנובעות מ-QM עומדות לנגד עינינו. דוגמאות לדור הראשון של טכנולוגיות קוונטיות הן מוליכים למחצה וטרנזיסטורים; עכשיו, עם הלימודים המתקדמים על סופרימפוזיציה ed הסתבכות הדור השני יוצא לדרך

כאן ננסה לגשת לנושאים מורכבים למדי המונעים מעצמנו את הקסם של מעקב וחשיפת כמה מושגים, אם כי בסיסיים, של מכניקת הקוונטים ומושגים מתמטיים מתקדמים כדי לתמוך בהם, בתקווה להצליח להביע מושגים מסובכים במילים "פשוטות".

אנו יכולים לומר שמכניקת הקוונטים מתארת ​​חומר וקרינה על כל היבטיה, במיוחד בכל הנוגע לתופעות מיקרוסקופיות, כלומר, המתרחשות בקנה מידה אטומי. חוקים קוונטיים אינם דטרמיניסטים אלא הסתברותיים. כלומר, הם לא יכולים לחזות את האירועים שיתרחשו באבולוציה של מערכת פיזיקלית אלא רק את ההסתברויות שבהן עשויים להתרחש אירועים שונים.

גישה הסתברותית זו הובילה להבנה טובה יותר של כמה מאפיינים מרכזיים של חלקיקים קוונטיים העומדים בבסיס טכנולוגיות קוונטיות, בפרט "סופרפוזיציה" והסתבכות גירוי הפיתוח של טכנולוגיות מהדור הבא כגון חישה קוונטית, מחשוב קוונטי ומחשוב קוונטי.

בהקשר של הגנה וביטחון אנו הולכים לנתח בקצרה כמה יישומים הנובעים מהמחקרים שבוצעו על מכניקת הקוונטים.

חיישנים קוונטיים משיגים רמות קיצוניות של דיוק על ידי ניצול הטבע הקוונטי של החומר, תוך שימוש בהבדל בין, למשל, אלקטרונים במצבי אנרגיה שונים כיחידה הבסיסית. הם יכולים לשמש בזיהוי צוללות וכלי טיס התגנבות כמו גם לאפשר ניווט ללא צורך בהתייחסויות חיצוניות כגון GPS, באמצעות התקני PNT קוונטיים (התקני מיקום, ניווט ותזמון).

טכנולוגיות קוונטיות יכולות לשפר את i מערכות מיקום, ניווט ותזמון (PNT), במיוחד ניווט אינרציאלי. היתרון הקוונטי יתבטא בסביבות הפעלה של GPS, ויאפשר לבצע פעולות מדויקות.

GNSS נוכחי (מערכת ניווט לוויינית גלובלית) מסתמכת על תזמון מדויק המסופק באמצעות מספר שעונים אטומיים בלוויינים בודדים המתוקנים על ידי השעונים האטומיים היציבים ביותר על פני כדור הארץ. הדיוק הגבוה יותר של השעון הקוונטי יגדיל גם את דיוק המיקום והניווט. טכנולוגיית GNSS כפופה ל חֲסִימָה ובסביבות תת-קרקעיות או תת-ימיות, הוא אינו זמין כלל. הפתרון נמצא שם ניווט אינרציאלי. הבעיה בניווט אינרציאלי קלאסי היא אובדן הדיוק לאורך זמן (סחיפה של 1,8 ק"מ ליום עבור ספינות וצוללות ו-1,5 ק"מ לשעה עבור מטוסים צבאיים). לצבא מודרני, על מנת לשפר את פעולות שדה הקרב, הכרחי שיהיו מידות מדויקות ככל האפשר. בלוחמה קוונטית תת-ימית, צוללות עשויות להיות הראשונות לאמץ ניווט אינרציאלי קוונטי על ידי שימוש במגנטומטרים קוונטיים ככלי העיקרי לגילוי צוללות או מוקשים תת-ימיים על ידי הפעלת גלאי פוטו קוונטי, מכ"ם, לידר או זיהוי מבוסס כבידה.

תחום נוסף הוא ההדמיה quantum אשר מציע יישומים כגון מכ"ם קוונטי אשר יכול לשמש עבור מלחמת חלל. היתרונות והמאפיינים התיאורטיים של מכ"ם קוונטי הם התנגדות גדולה יותר חֲסִימָה ואמצעי לוחמה אלקטרונית אחרים; עוצמת אות הפלט כל כך נמוכה שהיא תהיה בלתי נראית לאמצעי לוחמה אלקטרונית. בנוסף לעלויות הגבוהות, נותרה ספקנות לגבי זיהוי מטרות התגנבות או התנגדות לחסימות.

יישומים אחרים בתעשייה מתייחסים ללידר קוונטי המשתמש בפוטונים אופטיים או מעין-אופטיים ויכול לשמש להארת מטרות במרחקים קצרים על ידי הפעלת מכ"ם מעקב נגד רחפנים או כחלק ממכלול הגנה אווירית לטווח קצר.

המחשוב הקוונטי מביא איתו את מה שמכונה "האיום הקוונטי" וכידוע בצבא, לתקשורת ומידע מאובטחים יש חשיבות עליונה. חתן פרס נובל זיילינגר הדגים תופעה שנקראת טלפורטציה קוונטית מה שמאפשר למעשה העברת מידע מרחוק.

במדעי המידע הקלאסי, הווקטור היסודי של המידע הוא ביט שיכול להיות רק 0 או 1. הווקטור היסודי של מידע קוונטי הוא הסיבית הקוונטית, קיוביט. קיוביט יכול להיות | 0⟩ | 0⟩ או | 1⟩ | 1⟩4, או צירוף ליניארי מורכב שרירותי של מצבים | 0⟩ | 0⟩ ו- | 1⟩ | 1° הנקראת סופרפוזיציה קוונטית. הנכס החשוב הנוסף הוא ההסתבכות קוונטית. זה מתייחס למתאם חזק בין שני קיוביטים או יותר.

בעוד מחשבים קלאסיים מבצעים חישובים באמצעות ספרות בינאריות (0 או 1), מחשבים קוונטיים מייצגים מידע באמצעות קיוביטים שיכולים להיות בשני המצבים בו זמנית ויכולים גם להשפיע זה על זה גם אם הם לא מחוברים פיזית. הבדלים נוספים הם התקליטור הַפרָעָה כלומר, האפשרות של qbits להיות מסובכת זה אמור להיות שזורים זה בזה וכתוצאה מכך מתאם הדוק ביניהם.

L'הסתבכות משותף בקנה מידה עולמי יאפשר למחשבים קוונטיים לעבוד יחד כדי לפתור בעיות מורכבות שאינן נגישות עם מחשבי העל של ימינו

כאמור, זיילינגר הדגים את הטלפורטציה של מצב קיוביטים בודדים וגם הראה כיצד ניתן להפוך את ההסתבכות המשותפת למפתחות סודיים משותפים שיאפשרו תקשורת מאובטחת שהבטחות האבטחה שלהן נובעות מהעובדה שחוקי הפיזיקה הקוונטית נכונים. למחשבים קוונטיים, המסוגלים לבצע כמות ניכרת של חישובים בו-זמנית, יכולים להיות יישומים כגון "פירוק של מספרים שלמים לגורמים, המאפשר פענוח של פרוטוקולי אבטחת IT הנפוצים ביותר". רשתות קוונטיות "הם מבטיחים מנגנון תקשורת מאובטח מטבעו שיאפשר העברה מאובטחת של מידע, גם כשהם מותקפים על ידי יריבים באמצעות מחשבים קוונטיים".

היישום הראשון של תקשורת קוונטית נקרא חלוקת מפתח קוונטית (QKD) המשתמש בחלקיקים קוונטיים להחלפת מפתחות הצפנה. ב-QKD, הנתונים בפועל מועברים על גבי תשתית תקשורת מסורתית באמצעות ביטים רגילים, אולם, מפתחות ההצפנה הדרושים לפענוח הנתונים מועברים בנפרד באמצעות חלקיקים קוונטיים. עבור ההגנה הטכנולוגיה הזו תהיה מעניינת כאשר תתאפשר תקשורת למרחקים ארוכים באמצעות MDI-QKD או משחזרים קוונטיים. נכון לעכשיו, קיימת טכנולוגיה מסחרית בסיסית שמשתמשת בחזרים אמינים. בנוסף ל-QKD, הרשת הקוונטית יכולה לשמש לתקשורת קוונטית ישירה מאובטחת (QSDC) בין החלל, הכוחות המיוחדים, חיל הים ומשאבי היבשה. 

היישום השני הוא הצפנה קוונטית מבוססי מיקום שיכולים להציע תקשורת מאובטחת יותר, כאשר המידע אליו ניגש יהיה זמין רק ממיקום גיאוגרפי מסוים, כגון תקשורת עם לוויינים צבאיים רק מבסיסים צבאיים מסוימים.

לטכנולוגיות צבאיות יש דרישות תובעניות יותר מיישומים תעשייתיים או ציבוריים. טכנולוגיות קוונטיות יכולות להשפיע על כל תחומי הלוחמה המודרנית. המהפכה הקוונטית השנייה תשפר את הרגישות והיעילות, תציג יכולות חדשות ותחדד את טכניקות הלוחמה המודרניות במקום להוביל לסוגים חדשים של נשק. בל נשכח שיישומים רבים הם אפילו יותר תיאורטיים מאשר מציאותיים והתקדמות מעבדתית לא תמיד מתורגמת מחוצה להם באותה הצלחה.

1 לוחמה קוונטית היא מלחמה המשתמשת בטכנולוגיות קוונטיות עבור יישומים צבאיים המשפיעים על יכולות המודיעין, הביטחון וההגנה של כל תחומי הלחימה, ומציגה אסטרטגיות צבאיות חדשות, דוקטרינות, תרחישים ושלום, כמו גם סוגיות אתיות.

2 די ג'יי גריפית'ס "מבוא למכניקת הקוונטים"; ג'נרדולי "מכניקת הקוונטים כרכים. 1 - 2"

3 יו בסון "דידקטיקה של פיזיקה"

4 סימון Bra-ket או פורמליזם של דיראק.

@ כל הזכויות שמורות

הגנת rheinmetal