Nobel 2022 y tecnologías cuánticas en defensa y seguridad

(Para Antonino Lombardi)
08/10/22

La Real Academia Sueca de Ciencias otorgó Aspecto de AlainJohn F Clauseranton zeilinger con el Premio Nobel de Física 2022 "para experimentos con fotones entrelazados, estableciendo la violación de las desigualdades de Bell y siendo pioneros en la ciencia de la información cuántica".

La investigación avanza cada vez más en campos como las computadoras cuánticas y la comunicación cifrada cuántica segura y el punto de inflexión es cómo la mecánica cuántica1 (MQ) permite que dos o más partículas existan en lo que se llama un estado enredado. Lo que le sucede a una de las partículas en un par entrelazado determina lo que le sucede a la otra partícula, incluso si están muy separadas.

Las tecnologías cuánticas son tecnologías de doble uso y, como tales, son de interés para la industria de defensa y seguridad y para las agencias militares y gubernamentales. Las tecnologías cuánticas para aplicaciones militares introducen nuevas capacidades, mejoran la eficacia y aumentan la precisión, lo que lleva a la "guerra cuántica".2. La tecnología cuántica no trae fundamentalmente nuevas armas o sistemas militares autónomos, sino que mejora significativamente la capacidad de medición, detección, precisión y potencia informática y eficiencia de la tecnología militar actual y futura. 

Pero, ¿cuáles son las posibles aplicaciones futuras de las tecnologías derivadas de los estudios de física cuántica?

Lo cierto es que la comprensión completa de la mecánica cuántica no es precisamente un ejercicio muy sencillo “Presenta importantes obstáculos conceptuales y formales y requiere un cambio en las formas de pensar, imaginar y razonar que puede resultar muy agotador”.3 Aunque muchas veces no somos conscientes de ello, las tecnologías derivadas de QM están ante nuestros ojos. Ejemplos de la primera generación de tecnologías cuánticas son los semiconductores y los transistores; ahora, con los estudios avanzados sobre superposición ed enredo la segunda generación está en marcha

Aquí intentaremos abordar temas bastante complejos privándonos del encanto de desandar y exponer algunos conceptos, aunque básicos, de la mecánica cuántica y nociones matemáticas avanzadas para sustentarlos, con la esperanza de lograr expresar conceptos complicados con palabras "simples".

Podemos decir que la mecánica cuántica describe la materia y la radiación en todos sus aspectos, en particular en lo que respecta a los fenómenos microscópicos, es decir, que ocurren a escala atómica. Las leyes cuánticas no son deterministas sino probabilísticas. Es decir, no pueden predecir los eventos que ocurrirán en la evolución de un sistema físico sino solo las probabilidades con las que pueden ocurrir diferentes eventos.

Este enfoque probabilístico ha llevado a una mejor comprensión de algunas propiedades clave de las partículas cuánticas que subyacen a las tecnologías cuánticas, en particular, la "superposición" yenredo estimular el desarrollo de tecnologías de próxima generación como la detección cuántica, la computación cuántica y la computación cuántica.

En el contexto de la defensa y la seguridad vamos a analizar muy brevemente algunas aplicaciones derivadas de los estudios realizados sobre mecánica cuántica.

Los sensores cuánticos alcanzan niveles extremos de precisión al explotar la naturaleza cuántica de la materia, utilizando la diferencia entre, por ejemplo, electrones en diferentes estados de energía como unidad básica. Podrían ser utilizados en la detección de submarinos y aviones. sigilo así como permitir la navegación sin necesidad de referencias externas como el GPS, utilizando dispositivos PNT cuánticos (dispositivos de posicionamiento, navegación y cronometraje).

Las tecnologías cuánticas pueden mejorar i sistemas de posicionamiento, navegación y temporización (PNT), en particular la navegación inercial. La ventaja cuántica se manifestará en los entornos operativos de GPS, lo que permitirá realizar operaciones precisas.

El GNSS (Sistema Global de Navegación por Satélite) actual se basa en la sincronización precisa proporcionada a través de múltiples relojes atómicos en satélites individuales que son corregidos por los relojes atómicos más estables de la tierra. La mayor precisión del reloj cuántico también aumentará la precisión del posicionamiento y la navegación. La tecnología GNSS está sujeta a interferencia y en ambientes subterráneos o submarinos, no está disponible en absoluto. la solucion esta ahi navegación inercial. El problema de la navegación inercial clásica es la pérdida de precisión con el tiempo (deriva de 1,8 km/día para barcos y submarinos y de 1,5 km/hora para aviones militares). Para un ejército moderno, con el fin de mejorar las operaciones en el campo de batalla, es imperativo contar con mediciones que sean lo más precisas posible. En la guerra submarina cuántica, los submarinos pueden ser los primeros en adoptar la navegación inercial cuántica mediante el empleo de magnetómetros cuánticos como herramienta principal para detectar submarinos o minas submarinas mediante la aplicación de fotodetectores cuánticos, radares, lidar o detección basada en la gravedad.

Otro campo es elimágenes cuántica que ofrece aplicaciones como el radar cuántico que podría utilizarse para la Guerra espacial. Las ventajas y características teóricas del radar cuántico son una mayor resistencia interferencia y otras contramedidas de guerra electrónica; la intensidad de la señal de salida es tan baja que será invisible para las medidas de guerra electrónica. Además de los altos costos, persiste el escepticismo acerca de la detección sigilosa de objetivos o la resistencia a atascos..

Otras aplicaciones en la industria se relacionan con el lidar cuántico que usa fotones ópticos o cuasi-ópticos y podría usarse para la iluminación de objetivos a distancias cortas al operar un radar de vigilancia antidrones o como parte de un complejo Defensa aérea de corto alcance.

La computación cuántica trae consigo la llamada "amenaza cuántica" y, como se sabe entre los militares, las comunicaciones y la información seguras son de suma importancia. El premio Nobel Zeilinger demostró un fenómeno llamado teletransportación cuántica que permite efectivamente la transmisión de información a distancia.

En la ciencia de la información clásica, el vector elemental de información es un bit que solo puede ser 0 o 1. El vector elemental de información cuántica es el bit cuántico, qubit. Un qubit puede ser | 0⟩ | 0⟩ o | 1⟩ | 1⟩4, o una combinación lineal compleja arbitraria de estados | 0⟩ | 0⟩ y | 1⟩ | 1° llamado superposición cuántica. La otra propiedad importante es laentrelazamiento cuántico. Se refiere a una fuerte correlación entre dos o más qubits.

Mientras que las computadoras clásicas realizan cálculos usando dígitos binarios (0 o 1), las computadoras cuánticas representan información usando qubits que pueden estar en ambos estados al mismo tiempo y también pueden afectarse entre sí, incluso si no están conectados físicamente. Otras diferencias son el cd interferencia es decir, la posibilidad de que los qbits sean enredado es decir, estar entrelazados entre sí dando como resultado una estrecha correlación entre ellos.

L'enredo compartido a escala global permitirá que las computadoras cuánticas trabajen juntas para resolver problemas complejos que son inaccesibles con las supercomputadoras actuales

Como se mencionó, Zeilinger demostró la teletransportación del estado de los qubits individuales y también mostró cómo el entrelazamiento compartido puede transformarse en claves secretas compartidas que permitirían comunicaciones seguras cuyas promesas de seguridad se derivan del hecho de que las leyes de la física cuántica son verdaderas. Los ordenadores cuánticos, al poder realizar una cantidad considerable de cálculos al mismo tiempo, pueden tener aplicaciones como "factorización de números enteros, que permite el descifrado de los protocolos de seguridad informática más utilizados”. Redes cuánticas "Prometen un mecanismo de comunicación intrínsecamente seguro que permitirá la transmisión segura de información, incluso cuando sean atacados por adversarios con computadoras cuánticas".

La primera aplicación de la comunicación cuántica se llama Distribución de claves cuánticas (QKD) que utiliza partículas cuánticas para el intercambio de claves criptográficas. En QKD, los datos reales se transmiten a través de una infraestructura de comunicación tradicional usando bits normales, sin embargo, las claves criptográficas necesarias para descifrar los datos se transmiten por separado usando partículas cuánticas. Para la defensa esta tecnología será interesante cuando sea posible la comunicación a larga distancia utilizando MDI-QKD o repetidores cuánticos. Actualmente, existe tecnología comercial básica disponible que utiliza repetidores confiables. Además del QKD, la red cuántica podría usarse para la comunicación directa cuántica segura (QSDC) entre el espacio, las fuerzas especiales, la marina y los recursos terrestres. 

La otra aplicación es la criptografía cuántica basado en la ubicación que puede ofrecer una comunicación más segura, donde la información a la que se accede solo estará disponible desde una ubicación geográfica particular, como la comunicación con satélites militares solo desde bases militares particulares.

Las tecnologías militares tienen requisitos más exigentes que las aplicaciones industriales o públicas. Las tecnologías cuánticas pueden afectar todos los dominios de la guerra moderna. La segunda revolución cuántica mejorará la sensibilidad y la eficiencia, introducirá nuevas capacidades y refinará las técnicas modernas de guerra en lugar de conducir a nuevos tipos de armas. No olvidemos que muchas aplicaciones son incluso más teóricas que realistas y los avances de laboratorio no siempre se traducen fuera de ellas con el mismo éxito.

1 La guerra cuántica es una guerra que utiliza tecnologías cuánticas para aplicaciones militares que afectan las capacidades de inteligencia, seguridad y defensa de todos los dominios de la guerra, e introduce nuevas estrategias militares, doctrinas, escenarios y paz, así como cuestiones éticas.

2 DJ Griffiths "Introducción a la mecánica cuántica"; G. Nardulli “Mecánica cuántica vols. 1 - 2 "

3 U. Besson "Didáctica de la física"

4 Notación bra-ket o formalismo de Dirac.

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