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Mike McQuade

Computación

Cómo las armas cuánticas cambiarán las guerras del futuro

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EE. UU. y China parecen estar embarcadas en una segunda guerra fría en torno a las tecnologías cuánticas capaces de revolucionar los conflictos bélicos. Los aviones militares dejarían de pasar desapercibidos ante los radares y la criptografía cuántica haría indescifrable cualquier comunicación

  • por Martin Giles | traducido por Ana Milutinovic
  • 06 Febrero, 2019

En la década de 1970, en pleno apogeo de la Guerra Fría, los responsables de planificación militar de EE. UU. empezaron a preocuparse por la amenaza que los misiles guiados por radar de la URSS y otros países suponían para sus aviones de combate. Así que distintos ingenieros del país se pusieron a trabajar en tecnologías sigilosas capaces de ocultar a los aviones de los radares enemigos.

Los resultados de aquel trabajo incluyen innovaciones como estructuras peculiares que desvían las ondas de radar, como el "ala volante" del bombardero B-2 de EE. UU. (arriba), así como materiales a base de carbono y pinturas novedosas. Pero ninguna de estas tecnologías sigilosas o furtivas se parece demasiado a la capa de invisibilidad de Harry Potter: incluso los aviones de combate actuales más avanzados reflejan algunas ondas de radar. No obstante, estas señales son tan pequeñas y débiles que se pierden en el ruido de fondo, permitiendo que la aeronave pase inadvertida.

Aunque China y Rusia también empezaron a desarrollar sus propios aviones invisibles, los de Estados Unidos siguen siendo mejores. Estas máquinas han dado al país una situación de ventaja a la hora de lanzar ataques sorpresa en operaciones como la guerra en Irak que comenzó en 2003.

Pero esta ventaja está ahora bajo amenaza. En noviembre de 2018, la Corporación China de Electrónica y Tecnología (CETC por sus siglas en inglés), la compañía de defensa electrónica más grande de China, presentó un prototipo de radar que, según afirma, puede detectar las aeronaves ocultas mientras vuelan. El sistema utiliza algunos de los fenómenos exóticos de la física cuántica para ayudar a localizar los aviones.

Este radar es solo una de las cada vez más populares tecnologías con base cuántica que podrían cambiar el concepto de guerra que conocemos. Además de detectar las aeronaves ocultas, estas nuevas armas cuánticas podrían reforzar la seguridad de las comunicaciones en el campo de batalla y afectar la capacidad de los submarinos para navegar por los océanos sin ser descubiertos. El desarrollo de estas tecnologías está desencadenando una nueva carrera armamentística entre EE. UU. y China, que ven a la emergente era cuántica como una oportunidad única para ganar ventaja sobre su rival en la tecnología militar.

Observar lo oculto

La influencia de los avances cuánticos en el poder militar depende del trabajo de los investigadores como Jonathan Baugh. Este profesor de la Universidad de Waterloo (Canadá) está trabajando en un dispositivo incluido en un gran proyecto para desarrollar un radar cuántico. Sus usuarios serán las estaciones en el Ártico administradas por el Comando de Defensa Aeroespacial de América del Norte (NORAD), una organización conjunta estadounidense-canadiense.

La máquina de Baugh produce pares de fotones "entrelazados", un fenómeno que implica que las partículas de luz comparten el mismo estado cuántico. Así que cualquier cambio en un fotón inmediatamente influye en el estado del otro, incluso si están separados por grandes distancias.

El radar cuántico funciona tomando un fotón de cada pareja y disparándolo en un haz de microondas. El otro fotón de la se retiene dentro del sistema del radar. De todos los fotones emitidos, solo se reflejarán los pocos que choquen contra un avión invisible.

Un radar convencional no podría distinguir estos fotones de cualquier otro generado por fenómenos naturales o por dispositivos de bloqueo de radar. Pero un radar cuántico puede buscar pruebas de que los fotones que recibe están entrelazados con los que mantiene retenidos. El radar cuántico sería capaz de detectar cualquier fotón originado en la estación. Esto le permite identificar incluso las señales de retorno más débiles ocultas en una masa de ruido de fondo.

Equipo de un prototipo de sistema de radar cuántico fabricado por China Electronics Technology Group Corporation.

Foto: prototipo del sistema de radar cuántico fabricado por la Corporación China de Electrónica y Tecnología. Créditos: Imaginechina vía AP.

Baugh advierte que todavía tiene por delante grandes desafíos técnicos como, por ejemplo, el desarrollo de flujos altamente fiables de fotones entrelazados y la construcción de detectores extremadamente sensibles. Es difícil saber si la CETC, que en 2016 afirmó que su radar podía detectar objetos a una distancia de hasta 100 kilómetros, ha resuelto estos problemas, porque mantiene en secreto los detalles técnicos de su prototipo.

El profesor del MIT (EE. UU.) Seth Lloyd, quien desarrolló la teoría en la que se basa el radar cuántico, se muestra escéptico ante las afirmaciones de la compañía china porque faltan sus pruebas sólidas. Pero, no duda del potencial del radar cuántico en sí mismo. Así que cuando algún país presente un dispositivo de este tipo que funcione completamente, marcará el principio del fin de la era de las armas sigilosas.

Las ambiciones de China

El trabajo de la CETC forma parte de un esfuerzo a largo plazo por parte de China para convertirse en líder mundial de la tecnología cuántica. El Gobierno está ofreciendo generosos fondos para crear nuevos centros de investigación cuántica en las universidades y está construyendo un centro nacional de investigación cuántica cuya apertura está programada para 2020. Además, el país se ha convertido en líder mundial en el número de patentes registradas sobre comunicación y criptografía cuántica con mucha ventaja sobre los demás.

Un estudio sobre la estrategia cuántica de China,  publicado en septiembre de 2018 por el Centro para una Nueva Seguridad Americana (CNAS), un laboratorio de ideas de EE. UU., señala que el Ejército Popular de Liberación chino (EPL) está reclutando especialistas en física cuántica, y que grandes empresas de defensa del país están creando laboratorios cuánticos conjuntos en las universidades. Sin embargo, es difícil determinar qué proyectos tienen un componente militar. "Hay bastante opacidad y ambigüedad, en parte, deliberadamente", afirma la coautora del estudio del CNAS Elsa Kania.

Los esfuerzos de China están aumentando al mismo tiempo que los temores del ejército estadounidense por perder su ventaja competitiva. Una comisión encargada por el Congreso de EE. UU. para revisar la estrategia de defensa de la administración Trump emitió un informe en noviembre de 2018 en el que advertía de que el margen de superioridad de Estados Unidos "ha disminuido profundamente en áreas clave" y pidió más 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 de manera cuántica entre ubicaciones distantes, así como una red de comunicación terrestre que se extiende entre Pekín y Shanghái (las dos en China). Ambos proyectos fueron desarrollados por científicos, pero los conocimientos técnicos y la infraestructura podrían adaptarse fácilmente al uso militar.

Las redes se basan en un enfoque conocido como distribución de claves cuánticas (QKD, por sus siglas en inglés). Los mensajes se codifican en forma de bits clásicos, y las claves criptográficas necesarias para decodificarlos se envían como bits cuánticos o cúbits. Estos cúbits suelen ser fotones capaces de viajar fácilmente a través de las redes de fibra óptica o de la atmósfera. Si alguien intenta interceptar y leer los cúbits, el ataque destruye inmediatamente su delicado estado cuántico, borrando la información que llevan y dejando un signo revelador de un intento de espionaje.

La tecnología QKD todavía no es del todo segura. Las redes terrestres de largo alcance requieren estaciones de paso similares a los repetidores que aumentan las señales. En estas estaciones, las claves se decodifican en forma clásica antes de ser recodificadas en forma cuántica y enviadas a la siguiente estación. Durante el breve periodo en el que las claves están en formato clásico, un enemigo podría piratearlas y copiarlas sin ser detectado.

Para superar este problema, un equipo de investigadores del Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. está trabajando en un enfoque llamado teletransporte cuántico. La idea consiste en utilizar el entrelazamiento para transferir datos entre un cúbit mantenido por un remitente y otro por un receptor, utilizando lo que equivale a un tipo de cable virtual de datos cuánticos y de un solo uso (aquí puede ver una descripción más detallada de su funcionamiento).

El investigador del equipo Michael Brodsky afirma que él y sus compañeros están trabajando en una serie de retos técnicos, entre ellos el de encontrar formas de garantizar que el delicado estado cuántico de los cúbits no se vea afectado durante la transmisión a través de las redes de fibra óptica. La tecnología aún se limita solo a un laboratorio, pero el equipo sostiene que ya es lo suficientemente robusto para probarse en el exterior. "Los soportes se pueden colocar en unos camiones para llevarlos al campo", explica Brodsky.

Puede que no pase mucho tiempo antes de que China pruebe su propio sistema de teletransporte cuántico. El país ya está construyendo la red de fibra óptica que se extenderá desde el continente hasta algunas islas de Hong Kong.

La brújula cuántica

Los investigadores también están explorando el uso de métodos cuánticos para ofrecer al ejército herramientas de navegación más precisas e infalibles. Las aeronaves y buques militares de EE. UU. dependen de los precisos relojes atómicos para controlar la ubicación. Pero también cuentan con las señales GPS, una red de satélites que orbitan la Tierra. Esto plantea un riesgo porque un enemigo podría falsificar, o "simular" las señales GPS, o bloquearlas por completo.

Para solucionarlo, la empresa Lockheed Martin apuesta por una brújula cuántica basada en diamantes sintéticos microscópicos con defectos atómicos conocidos como centro nitrógeno-vacante o centro 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.

El científico principal de Lockheed, Ned Allen, explica 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 hay mapas detallados de estas anomalías realizados por satélite y estudios terrestres. Al comparar las anomalías detectadas con el magnetómetro con estos mapas, los navegantes 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 van.

El ejército de China está claramente preocupado por las amenazas a su propia versión del GPS, llamada BeiDou. Según el informe del CNAS, varios institutos de todo el país están investigando la tecnología de detección y navegación cuántica.

Además de su función como instrumento de navegación, los magnetómetros también pueden detectar y localizar el movimiento de grandes objetos metálicos, como los submarinos, gracias a las fluctuaciones que causan en los campos magnéticos locales. Pero como son muy sensibles, los magnetómetros se interrumpen fácilmente por el ruido de fondo, por lo que por ahora solo se utilizan en distancias muy cortas. No obstante, el año pasado, a la Academia de Ciencias de China se le escapó que algunos investigadores chinos habían encontrado una manera de mejorarlo con tecnología cuántica. Eso podría significar que los dispositivos podrían usarse en el futuro para detectar submarinos a distancias mucho mayores.

Una carrera reñida

Todavía es pronto para que las tecnologías cuánticas salten al campo de batalla. No hay garantía de que funcionen bien a escala, o en las situaciones de conflicto donde la fiabilidad absoluta es esencial. Pero si tienen éxito, la criptografía cuántica y el radar cuántico podrían tener un enorme impacto. El descifrado de códigos y el radar cambiaron 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 ocultos sean tan visibles como los ordinarios. Ambas cosas lo cambiarían todo.

También es demasiado pronto para saber si será China o EE. UU. quien gane la carrera armamentista cuántica, o si se producirá un estancamiento similar al de la Guerra Fría. Pero el dinero que China está invirtiendo en investigación cuántica es una señal de su determinación para estar a la cabeza.

El país también ha logrado establecer fuertes relaciones de trabajo entre institutos gubernamentales de investigación, universidades y empresas. En cambio, Estados Unidos acaba de aprobar una ley para crear un plan nacional  para coordinar los esfuerzos públicos y privados. El retraso en la adopción de un planteamiento colaborativo como este ha aislado muchos proyectos y  podría retrasar el desarrollo de las aplicaciones militares más útiles. El experto cuántico del ejército de EE. UU. Brodsky, señala: "Estamos intentando que la comunidad investigadora adopte un método más sistémico".

Pero el ejército de Estados Unidos sí tiene algunas ventajas sobre el chino. El Departamento de Defensa lleva mucho tiempo invirtiendo en la investigación cuántica, al igual que las agencias de espionaje. El conocimiento generado ayuda a explicar por qué las empresas de EE. UU. lideran áreas como el desarrollo de los potentes ordenadores cuánticos, que aprovechan los cúbits entrelazados para generar inmensas cantidades del poder de procesamiento.

El ejército estadounidense también puede aprovechar el trabajo realizado por sus aliados y por la vibrante comunidad de expertos. La investigación con 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, Reino Unido, Australia y Nueva Zelanda, en distintas áreas como la navegación cuántica.

Todo esto da Estados Unidos una ventaja en la carrera armamentista cuántica. Pero el impresionante esfuerzo de China para impulsar la investigación cuántica es un aviso de que la brecha se está cerrando rápidamente.

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