Die USA und China befinden sich in einem Quantenwettrüsten, das die Kriegsführung verändern wird

Mike McQuade

In den 1970er Jahren, auf dem Höhepunkt des Kalten Krieges, begannen amerikanische Militärplaner, sich Sorgen über die Bedrohung von US-Kampfflugzeugen durch neue, radargesteuerte Raketenabwehrsysteme in der UdSSR und anderen Nationen zu machen. Als Reaktion darauf verstärkten Ingenieure an Orten wie dem berühmten Skunk Works des US-Verteidigungsriesen Lockheed Martin die Arbeit an Stealth-Technologie, die Flugzeuge vor den neugierigen Augen des feindlichen Radars schützen könnte.

Zu den daraus resultierenden Innovationen gehören ungewöhnliche Formen, die Radarwellen ablenken – wie das Nurflügeldesign des US-amerikanischen B-2-Bombers (oben) – sowie Materialien auf Kohlenstoffbasis und neuartige Lacke . Stealth-Technologie ist noch keine Harry-Potter-ähnliche Tarnkappe: Selbst die fortschrittlichsten Kampfflugzeuge von heute reflektieren immer noch einige Radarwellen. Aber diese Signale sind so klein und schwach, dass sie im Hintergrundrauschen untergehen und das Flugzeug unbemerkt passieren lassen.

China und Russland haben inzwischen ihre eigenen Stealth-Flugzeuge bekommen, aber die amerikanischen sind immer noch besser. Sie haben den USA den Vorteil verschafft, Überraschungsangriffe in Kampagnen wie dem Krieg im Irak zu starten, der 2003 begann.

Dieser Vorteil ist nun in Gefahr. Im November 2018 stellte die China Electronics Technology Group Corporation (CETC), Chinas größtes Unternehmen für Verteidigungselektronik, einen Prototyp eines Radars vor, das angeblich Stealth-Flugzeuge im Flug erkennen kann. Das Radar nutzt einige der exotischen Phänomene der Quantenphysik, um die Standorte von Flugzeugen aufzudecken.

Es ist nur eine von mehreren quanteninspirierten Technologien, die das Gesicht der Kriegsführung verändern könnten. Sie könnten nicht nur Flugzeuge enttarnen, sondern auch die Sicherheit der Kommunikation auf dem Schlachtfeld erhöhen und die Fähigkeit von U-Booten beeinträchtigen, unentdeckt durch die Ozeane zu navigieren. Das Streben nach diesen Technologien löst ein neues Wettrüsten zwischen den USA und China aus, das das aufkommende Quantenzeitalter als einmalige Gelegenheit ansieht, sich einen Vorteil gegenüber seinem Rivalen in der Militärtechnologie zu verschaffen.

Stealth-Spotter

Wie schnell Quantenfortschritte die militärische Macht beeinflussen werden, wird von der Arbeit von Forschern wie Jonathan Baugh abhängen. Als Professor an der University of Waterloo in Kanada arbeitet Baugh an einem Gerät, das Teil eines größeren Projekts zur Entwicklung eines Quantenradars ist. Seine beabsichtigten Benutzer: Stationen in der Arktis, die vom North American Aerospace Defense Command oder NORAD, einer gemeinsamen amerikanisch-kanadischen Organisation, betrieben werden.

Baughs Maschine erzeugt verschränkte Photonenpaare – ein Phänomen, das bedeutet, dass die Lichtteilchen einen einzigen Quantenzustand teilen. Eine Änderung in einem Photon beeinflusst sofort den Zustand des anderen, selbst wenn sie durch große Entfernungen getrennt sind.

Quantenradar arbeitet, indem es ein Photon von jedem erzeugten Paar nimmt und es in einem Mikrowellenstrahl abfeuert. Das andere Photon jedes Paares wird im Radarsystem zurückgehalten.

Ausrüstung aus einem Prototyp eines Quantenradarsystems, das von der China Electronics Technology Group Corporation Imaginechina über AP Images hergestellt wurde

Nur wenige der ausgesendeten Photonen werden zurückreflektiert, wenn sie auf ein Stealth-Flugzeug treffen. Ein herkömmliches Radar wäre nicht in der Lage, diese zurückkehrenden Photonen von der Masse anderer einfallender Photonen zu unterscheiden, die durch natürliche Phänomene oder durch Radarstörgeräte erzeugt werden. Aber ein Quantenradar kann nach Beweisen dafür suchen, dass einfallende Photonen mit zurückgehaltenen Photonen verschränkt sind. Alle, die es sind, müssen von der Radarstation stammen. Dies ermöglicht es ihm, selbst die schwächsten Echosignale in einer Masse von Hintergrundgeräuschen zu erkennen.

Baugh warnt davor, dass es noch große technische Herausforderungen gibt. Dazu gehören die Entwicklung hochzuverlässiger Ströme verschränkter Photonen und der Bau extrem empfindlicher Detektoren. Es ist schwer zu sagen, ob CETC, das bereits 2016 behauptete, sein Radar könne Objekte in einer Entfernung von bis zu 100 Kilometern (62 Meilen) erkennen, diese Herausforderungen gelöst hat; es hält die technischen Details seines Prototyps geheim.

Seth Lloyd, ein MIT-Professor, der die Theorie entwickelt hat, die dem Quantenradar zugrunde liegt, sagt, dass er in Ermangelung harter Beweise den Behauptungen des chinesischen Unternehmens skeptisch gegenübersteht. Aber, fügt er hinzu, das Potenzial des Quantenradars sei unbestritten. Wenn endlich ein voll funktionsfähiges Gerät eingesetzt wird, markiert dies den Anfang vom Ende der Stealth-Ära.

Chinas Ambitionen

Die Arbeit des CETC ist Teil der langfristigen Bemühungen Chinas, sich zu einem weltweit führenden Unternehmen in der Quantentechnologie zu entwickeln. Das Land stellt großzügige Mittel für neue Quantenforschungszentren an Universitäten bereit und baut ein nationales Forschungszentrum für Quantenwissenschaften auf, das 2020 eröffnet werden soll. Es ist den USA bereits bei der Anmeldung von Patenten in den Bereichen Quantenkommunikation und Kryptografie voraus (siehe Grafik).

Eine Studie über Chinas Quantenstrategie veröffentlicht im September 2018 vom Center for a New American Security (CNAS), einer US-amerikanischen Denkfabrik, stellte fest, dass die chinesische Volksbefreiungsarmee (PLA) Quantenspezialisten rekrutiert, und dass große Verteidigungsunternehmen wie die China Shipbuilding Industry Corporation (CSIC) dies tun Aufbau gemeinsamer Quantenlabore an Universitäten. Es ist jedoch schwierig, genau herauszufinden, welche Projekte ein militärisches Element haben. Hier gibt es ein gewisses Maß an Undurchsichtigkeit und Mehrdeutigkeit, und einiges davon kann absichtlich sein, sagt Elsa Kania, Mitautorin der CNAS-Studie.

Chinas Bemühungen nehmen zu, während die Befürchtungen wachsen, dass das US-Militär seinen Wettbewerbsvorteil verliert. Eine vom Kongress beauftragte Kommission, die Verteidigungsstrategie der Trump-Administration zu überprüfen, wurde herausgegeben ein Bericht im November 2018 warnten sie, dass die Überlegenheit der USA in Schlüsselbereichen stark geschmälert sei, und forderten mehr Investitionen in neue Gefechtsfeldtechnologien.

Eine dieser Technologien dürften Quantenkommunikationsnetzwerke sein. Chinesische Forscher haben bereits einen Satelliten gebaut, der quantenverschlüsselte Nachrichten zwischen entfernten Orten senden kann, sowie ein terrestrisches Netzwerk, das sich zwischen Peking und Shanghai erstreckt. Beide Projekte wurden von wissenschaftlichen Forschern entwickelt, aber das Know-how und die Infrastruktur könnten leicht für militärische Zwecke angepasst werden.

Die Netzwerke basieren auf einem Ansatz, der als Quantenschlüsselverteilung (QKD) bekannt ist. Nachrichten werden in Form von klassischen Bits codiert, und die zu ihrer Entschlüsselung benötigten kryptografischen Schlüssel werden als Quantenbits oder Qubits gesendet. Diese Qubits sind in der Regel Photonen, die sich leicht über Glasfasernetze oder durch die Atmosphäre bewegen können. Wenn ein Feind versucht, die Qubits abzufangen und zu lesen, zerstört dies sofort ihren empfindlichen Quantenzustand, löscht die Informationen, die sie tragen, und hinterlässt ein verräterisches Zeichen eines Eindringens.

Die QKD-Technologie ist noch nicht ganz sicher. Lange Bodennetzwerke erfordern Wegstationen ähnlich den Repeatern, die Signale entlang eines gewöhnlichen Datenkabels verstärken. An diesen Stationen werden die Schlüssel in klassische Form dekodiert, bevor sie in Quantenform neu kodiert und an die nächste Station gesendet werden. Während die Schlüssel in klassischer Form vorliegen, könnte sich ein Feind einhacken und sie unbemerkt kopieren.

Um dieses Problem zu lösen, arbeitet ein Forscherteam des US Army Research Laboratory in Adelphi, Maryland, an einem Ansatz namens Quantenteleportation. Dies beinhaltet die Verwendung von Verschränkung zum Übertragen von Daten zwischen einem Qubit, das von einem Sender gehalten wird, und einem anderen, das von einem Empfänger gehalten wird, wobei eine Art virtuelles, einmaliges Quantendatenkabel verwendet wird. (Eine ausführlichere Beschreibung gibt es hier.)

Michael Brodsky, einer der Forscher, sagt, dass er und seine Kollegen an einer Reihe von technischen Herausforderungen gearbeitet haben, einschließlich der Suche nach Wegen, um sicherzustellen, dass der empfindliche Quantenzustand der Qubits während der Übertragung durch Glasfasernetze nicht gestört wird. Die Technologie ist immer noch auf ein Labor beschränkt, aber das Team sagt, dass sie jetzt robust genug ist, um draußen getestet zu werden. Die Regale können auf Lastwagen geladen werden, und die Lastwagen können auf das Feld bewegt werden, erklärt Brodsky.

Es kann nicht lange dauern, bis China sein eigenes Quantenteleportationssystem testet. Forscher bauen bereits das Glasfasernetz für eines, das sich von der Stadt Zhuhai in der Nähe von Macau bis zu einigen Inseln in Hongkong erstrecken wird.

Quantenkompass

Forscher untersuchen auch die Verwendung von Quantenansätzen, um dem Militär genauere und narrensichere Navigationswerkzeuge bereitzustellen. US-Flugzeuge und Marineschiffe verlassen sich bereits auf präzise Atomuhren, um zu verfolgen, wo sie sich befinden. Sie zählen aber auch auf Signale des Global Positioning System (GPS), eines Satellitennetzes, das die Erde umkreist. Dies birgt ein Risiko, da ein Feind GPS-Signale fälschen oder fälschen oder ganz stören könnte.

Lockheed Martin glaubt, dass amerikanische Seeleute einen Quantenkompass verwenden könnten, der auf mikroskopisch kleinen synthetischen Diamanten mit atomaren Defekten basiert, die als Stickstoff-Leerstellen-Zentren oder NV-Zentren bekannt sind. Diese Quantendefekte im Diamantgitter können genutzt werden, um ein äußerst genaues Magnetometer zu bilden. Wenn ein Laser auf Diamanten mit NV-Zentren scheint, emittieren sie Licht mit einer Intensität, die je nach umgebendem Magnetfeld variiert.

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Ned Allen, Chefwissenschaftler von Lockheed, sagt, dass das Magnetometer hervorragend geeignet ist, magnetische Anomalien zu erkennen – ausgeprägte Schwankungen im Erdmagnetfeld, die durch magnetische Ablagerungen oder Felsformationen verursacht werden. Es gibt bereits detaillierte Karten dieser Anomalien durch Satelliten- und terrestrische Vermessungen. Durch den Vergleich der mit dem Magnetometer erkannten Anomalien mit diesen Karten können Navigatoren feststellen, wo sie sich befinden. Da das Magnetometer auch die Ausrichtung von Magnetfeldern anzeigt, können Schiffe und U-Boote damit herausfinden, in welche Richtung sie fahren.

Chinas Militär ist eindeutig besorgt über Bedrohungen für seine eigene GPS-Version, bekannt als BeiDou. Laut dem CNAS-Bericht wird an verschiedenen Instituten im ganzen Land an der Quantennavigations- und Sensortechnologie geforscht.

Magnetometer werden nicht nur zur Navigation verwendet, sondern können auch die Bewegung großer metallischer Objekte wie U-Boote anhand von Schwankungen, die sie in lokalen Magnetfeldern verursachen, erkennen und verfolgen. Da sie sehr empfindlich sind, werden die Magnetometer leicht durch Hintergrundgeräusche gestört, sodass sie derzeit nur für die Detektion auf sehr kurze Entfernungen verwendet werden. Aber letztes Jahr ließ die Chinesische Akademie der Wissenschaften verlauten, dass einige chinesische Forscher einen Weg gefunden hatten, dies mithilfe der Quantentechnologie zu kompensieren. Das könnte bedeuten, dass die Geräte in Zukunft verwendet werden könnten, um U-Boote auf viel größere Entfernungen zu erkennen.

Ein enges Rennen

Der militärische Einsatz von Quantentechnologien steckt noch in den Anfängen. Es gibt keine Garantie dafür, dass sie im großen Maßstab oder in Konfliktsituationen, in denen absolute Zuverlässigkeit unerlässlich ist, gut funktionieren. Aber wenn sie Erfolg haben, könnten Quantenverschlüsselung und Quantenradar eine besonders große Wirkung erzielen. Codeknacken und Radar trugen dazu bei, den Verlauf des Zweiten Weltkriegs zu verändern. Quantenkommunikation könnte das Stehlen geheimer Nachrichten viel schwieriger oder unmöglich machen. Quantenradar würde Stealth-Flugzeuge genauso sichtbar machen wie gewöhnliche. Beides wäre bahnbrechend.

Es ist auch noch zu früh, um zu sagen, ob es China oder die USA sein werden, die im Quanten-Wettrüsten die Nase vorn haben werden – oder ob es zu einer Pattsituation im Stil des Kalten Krieges führen wird. Aber das Geld, das China in die Quantenforschung steckt, ist ein Zeichen dafür, wie entschlossen es ist, die Führung zu übernehmen.

China ist es auch gelungen, enge Arbeitsbeziehungen zwischen staatlichen Forschungsinstituten, Universitäten und Unternehmen wie CSIC und CETC aufzubauen. Im Vergleich dazu haben die USA gerade erst ein Gesetz zur Schaffung eines nationalen Plans zur Koordinierung öffentlicher und privater Bemühungen verabschiedet. Die Verzögerung bei der Übernahme eines solchen Ansatzes hat zu vielen isolierten Projekten geführt und könnte die Entwicklung nützlicher militärischer Anwendungen verlangsamen. Wir versuchen, die Forschungsgemeinschaft dazu zu bringen, einen stärkeren Systemansatz zu verfolgen, sagt Brodsky, der Quantenexperte der US-Armee.

Dennoch hat das US-Militär einige deutliche Vorteile gegenüber der PLA. Das Verteidigungsministerium investiert seit langem in die Quantenforschung, ebenso wie die US-Geheimdienste. Das generierte Wissen hilft zu erklären, warum US-Unternehmen in Bereichen wie der Entwicklung leistungsstarker Quantencomputer führend sind, die verschränkte Qubits nutzen, um immense Mengen an Rechenleistung zu erzeugen.

Das amerikanische Militär kann auch auf die Arbeit seiner Verbündeten und einer lebendigen akademischen Forschungsgemeinschaft zu Hause zurückgreifen. Baughs Radarforschung wird beispielsweise von der kanadischen Regierung finanziert, und die USA planen eine gemeinsame Forschungsinitiative mit ihren engsten Militärpartnern – Kanada, Großbritannien, Australien und Neuseeland – in Bereichen wie der Quantennavigation.

All dies hat den USA einen Vorsprung im Quanten-Wettrüsten verschafft. Aber Chinas beeindruckende Bemühungen, die Quantenforschung voranzutreiben, bedeuten, dass sich die Lücke zwischen ihnen schnell schließt.

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