Este artículo, publicado originalmente en Air & Space Forces Magazine, permite comprender mejor de qué se trata la tecnología de información quántica y qué aplicaciones podría tener para la defensa.
Por Heather Penney
Comprender la ciencia para tomar las decisiones correctas.
Desde la Segunda Guerra Mundial y el nacimiento de la energía atómica, Estados Unidos ha establecido el dominio militar mediante la explotación de capacidades tecnológicamente avanzadas para lograr la superioridad numérica contra adversarios numéricamente superiores. La búsqueda explícita de una superioridad tecnológica sobre la Unión Soviética fue la premisa de la estrategia de la "Segunda Compensación" de las décadas de 1970 y 1980, en la que el Departamento de Defensa aceleró el desarrollo de la tecnología stealth, la navegación y la sincronización de precisión, las armas de precisión, los enlaces de datos y las comunicaciones mejorados, los sensores avanzados y un mayor procesamiento informático para producir una superación competitiva contra los rivales. Garantizar tal ventaja tecnológica es aún más importante hoy en día, sin embargo, Estados Unidos ya no mantiene la primacía científica y manufacturera de la que disfrutó durante la Guerra Fría.
Para recuperar el liderazgo tecnológico y asegurar una ventaja militar, el Departamento de Defensa ha identificado la ciencia y tecnología de la información cuántica (QIST, por sus siglas en inglés) como una de las tecnologías centrales que necesitan una inversión de "Tercera Compensación". Estados Unidos y China son competidores intensos en esta búsqueda. El valor de las tecnologías de "salto adelante" es claro. En la Segunda Compensación, la detección avanzada y los enlaces de datos tácticos permitieron a las fuerzas compartir el conocimiento de la situación en todo el espacio de batalla, lo que brindó una ventaja de información a los gerentes de batalla y comandantes de misión. Eso, a su vez, les ayudó a tomar mejores decisiones y a emplear las fuerzas de manera más efectiva. El stealth permitió a las aeronaves evadir la detección, cambiando el cálculo tradicional de pérdidas y aprovechando la capacidad de sorprender. El GPS y las municiones guiadas de precisión redujeron el número de armas necesarias para lograr los efectos deseados contra los objetivos. Es precisamente esta superación tecnológica la que resultó tan decisiva en la Operación Tormenta del Desierto y en las operaciones posteriores.
La tecnología cuántica podría constituir una capacidad similar de salto adelante, introduciendo un nuevo régimen para la competencia, subvirtiendo las contramedidas del adversario e introduciendo nuevas estrategias. Los sensores cuánticos prometen exactitud, estabilidad, sensibilidad y precisión que superan con creces las tecnologías existentes. Las computadoras cuánticas prometen una potencia de cálculo sin precedentes, lo que permite romper el cifrado y resolver problemas a una escala y velocidad que no son posibles hoy en día. Debido a que estas capacidades son buscadas tanto por los adversarios como por los EE. UU., es fundamental que el Departamento de Defensa comprenda y dé forma al desarrollo de esta tecnología. Como señala el Servicio de Investigación del Congreso, las tecnologías cuánticas "podrían tener implicaciones significativas para el futuro de la seguridad internacional en general".
Los líderes del Departamento de Defensa se dan cuenta del valor de desplegar con éxito las aplicaciones cuánticas tanto antes de que los adversarios puedan hacerlo como antes de que puedan desarrollar contramedidas. Al igual que el stealth y el ataque de precisión, QIST podría ofrecer una primacía militar duradera para reforzar la disuasión de Estados Unidos. La temporización y la navegación cuánticas podrían sustituir a las dependencias del GPS basado en el espacio; la detección cuántica podría mejorar la ISR y las cadenas de eliminación; y la computación cuántica podría descifrar mensajes codificados y mejorar el aprendizaje automático.
Por otra parte, no invertir y ceder esa ventaja de capacidad a un adversario tendría graves consecuencias. Este riesgo es particularmente relevante para el Departamento de la Fuerza Aérea dada la importancia de la navegación, la sincronización, la detección y el control del espectro para las misiones de la Fuerza Aérea y la Fuerza Espacial.
Campo emergente
Es posible que aún no sea posible anticipar completamente todos los posibles casos de uso de QIST. Cuando aparecieron las primeras computadoras digitales de uso general en 1945, el propósito inicial del integrador numérico electrónico y computadora (electronic numerical integrator and computer, ENIAC) era resolver ecuaciones matemáticas engorrosas, como trayectorias balísticas, en entornos de laboratorio. En aquel entonces, pocos habrían predicho un futuro en el que los teléfonos inteligentes, el modelado y la simulación, o los gráficos generados por computadora se volvieran omnipresentes. QIST puede resultar igualmente transformador.
El Congreso de Estados Unidos aprobó la Iniciativa Cuántica Nacional (NQI, por sus siglas en inglés) en 2018, reconociendo que QIST estaba en la cúspide de la transición de una teoría académica prometedora a aplicaciones en el mundo real. La intención era guiar un "enfoque de todo el gobierno para garantizar el liderazgo continuo de los EE. UU. en QIS [ciencia de la información cuántica] y sus aplicaciones tecnológicas". La legislación ordenó la creación de una Oficina Nacional de Coordinación Cuántica (NQCO, por sus siglas en inglés) para desarrollar un plan de 10 años para acelerar las aplicaciones de QIST en múltiples sectores. Las actividades y la supervisión de la NQCO incluyen la coordinación de esfuerzos entre las agencias federales, la provisión de fondos para la investigación básica en universidades y laboratorios federales, el desarrollo de la fuerza laboral y el establecimiento de estándares. La NQCO también estableció el Consorcio de Desarrollo Económico Cuántico (QED-C), una organización de membresía cuya misión es hacer crecer la industria cuántica comercial y la cadena de suministro. Las posteriores Leyes de Autorización de Defensa Nacional y la Ley de CHIPS y Ciencia de 2022 reforzaron aún más el apoyo al desarrollo de QIST.
Sin embargo, estas iniciativas iniciales pueden no ser suficientes. China está invirtiendo fuertemente en investigación y desarrollo de QIST, y el Partido Comunista Chino (PCCh) tiene el poder de moverse más rápidamente que el gobierno de Estados Unidos.
Lo que se necesita para lograr una "ventaja cuántica" sigue siendo difícil de definir. Para los científicos cuánticos, la "supremacía cuántica", la "ventaja cuántica" y la "primacía cuántica" simplemente significan la capacidad de una computadora cuántica para resolver un problema que ninguna computadora tradicional podría hacer. Para el Departamento de Defensa, una definición de trabajo más útil de "ventaja cuántica" en relación con China y sus esfuerzos QIST podría incluir la base de investigación científica residente en universidades y laboratorios; la base industrial y la mano de obra manufacturera necesarias para aprovechar el potencial de QIST; la fuerza de trabajo intelectual para el diseño, la ingeniería y la programación cuánticos; y la capacidad de desplegar una capacidad significativa y la disposición de los combatientes para emplearla. Esta evaluación comparativa, a diferencia de la más académica, también reconoce que la ventaja cuántica no es un evento de "día cero", sino más bien un maratón.
Entendiendo la ciencia cuántica
Incluso para los líderes con formación técnica, la ciencia cuántica puede ser confusa. Sin embargo, sin un conocimiento básico de QIST, los líderes no pueden juzgar por sí mismos si los proyectos propuestos tienen o no un valor real para el combatiente. Los líderes sénior deben tener su propia comprensión para tomar decisiones informadas sobre los requisitos, los recursos y los programas. Esto no significa que deban convertirse en científicos cuánticos o resolver ecuaciones matemáticas complejas, pero deben estar lo suficientemente alfabetizados como para hacer las preguntas correctas, hacer coincidir la tecnología con casos de uso de alto valor e identificar desafíos tecnológicos clave. Desafortunadamente, la Junta de Ciencias de la Defensa concluyó recientemente que cuando se trata del Departamento de Defensa y la cuántica, "hay una notable falta de análisis riguroso que vincule el rendimiento a las especificaciones de la misión y / o la capacidad novedosa". Se requiere más trabajo para comprender cómo los principios fundamentales de la ciencia cuántica pueden abordar las brechas de capacidad y las vulnerabilidades del combatiente.
La perspectiva de liderazgo es crucial porque los científicos e ingenieros que buscan hacer la transición de QIST del laboratorio al mundo real pueden no comprender completamente las demandas del entorno operativo o cómo la capacidad cuántica podría o debería integrarse con otros sistemas. El optimismo tecnológico puede llevar a los gestores de programas a sobrestimar el valor de una aplicación propuesta o a subestimar los retos de la maduración de la tecnología cuántica para convertirla en una capacidad de combate. Los innovadores abordan el QIST desde puntos de vista matemáticos, científicos e incluso teóricos; Los combatientes deben proporcionar la perspectiva operativa.
Comprender los conceptos básicos de la ciencia cuántica
Los avances recientes en mecánica cuántica, ciencias de los materiales y otras tecnologías han creado el potencial para utilizar QIST de nuevas maneras. Las aplicaciones establecidas desde hace mucho tiempo de los fenómenos cuánticos incluyen relojes atómicos, láseres, semiconductores de estado sólido, células solares, LED y cámaras digitales y sensores ópticos. En la segunda revolución cuántica actual, los investigadores aplican los avances en las ciencias cuánticas subyacentes para aislar, controlar y manipular deliberadamente las partículas subatómicas para capitalizar principios como la superposición o el entrelazamiento para diseñar tecnologías radicalmente nuevas.
Un bit cuántico, o qubit, es la unidad más básica de información cuántica. En la informática convencional, un bit es de naturaleza binaria: un 1 o un 0. Estos dos estados se relacionan con la propiedad física de un transistor, que está encendido (un estado de 1) o apagado (un estado de 0). Un cúbit, por otro lado, puede estar en cualquiera de estos tres estados: encendido, apagado o superposición, que es un estado de combinación entre 1 y 0.
Si bien los principios y propiedades cuánticas son universales, los métodos físicos y el hardware, o modalidades, que los físicos utilizan para aislar, controlar y medir la materia cuántica no lo son. Los científicos utilizan diferentes modalidades para construir bits cuánticos y acceder a propiedades cuánticas. Algunas modalidades utilizan criostatos para enfriar materiales hasta casi el cero absoluto para permitir propiedades físicas únicas a esas temperaturas gélidas. No existe una única modalidad o tipo de cúbit mejor para todas las aplicaciones. Una modalidad puede ser más eficaz en la computación a gran escala, mientras que otra modalidad puede ser mejor en la detección. Cada uno tiene diferentes fortalezas y desafíos y debe adaptarse al caso de uso particular. Al igual que con cualquier diseño técnico, existen compensaciones entre la capacidad, el costo, la complejidad, el tamaño y la utilidad operativa. Los responsables de la formulación de políticas deben sondear estas consideraciones para comprender mejor las fortalezas y limitaciones de cada una de ellas y para adaptar mejor la investigación y el desarrollo a las necesidades de los combatientes.
Todos los sistemas cuánticos se basan en qubits, y la forma en que los tecnólogos construyen qubits puede variar ampliamente, al igual que el rendimiento de los qubits. Los estados cuánticos son muy sensibles, lo que los hace a la vez muy útiles y muy frágiles. Debido a su sensibilidad inherente, los qubits son propensos a errores debido a la radiación, el calor, los impactos de otras partículas o incluso los sistemas de control de la máquina.
Un qubit lógico es uno o un grupo de qubits con una coherencia más larga que corrige los fallos inducidos por el ruido. En lugar de blindar y esforzarse por obtener qubits perfectos, un sistema tolerante a fallos busca implementar una especie de control de calidad para compensar los errores de los qubits. Una forma común de hacer esto es entrelazar muchos qubits diferentes para lograr un qubit lógico "sin ruido" o "idealizado". No todos los cúbits son iguales y no todas las técnicas de corrección de errores requieren el mismo volumen de cúbits adicionales.
Las empresas cuánticas a menudo se forman en torno a opciones tecnológicas específicas. Sin embargo, la modalidad, el diseño y la ingeniería de una empresa QIST tendrán un impacto directo en la calidad de sus qubits y en su capacidad para manipular las partículas cuánticas y su comportamiento. Es poco probable que una empresa basada en chips superconductores, por ejemplo, pueda desarrollar un sensor apropiado para integrarse en un avión de combate debido a los requisitos de refrigeración criogénica, energía y espacio.
Por lo tanto, un conocimiento práctico de la ciencia cuántica puede ser importante para evaluar soluciones y casos de uso apropiados.
China busca ventaja cuántica
Los expertos estiman ahora que China ha invertido más de 15.000 millones de dólares en todos sus esfuerzos de investigación y desarrollo de QIST hasta la fecha, una cifra que supera con creces a Estados Unidos y otros países. China posee el doble de patentes cuánticas que Estados Unidos y está persiguiendo agresivamente QIST para aplicaciones militares.
China lanzó sus Experimentos Cuánticos a Escala Espacial (QUESS, por sus siglas en inglés) en 2011, un esfuerzo continuo de años por parte de la Academia China de Ciencias (CAS, por sus siglas en inglés) para aprovechar el potencial de QIST. QUESS busca abordar los muchos problemas difíciles de la comunicación cuántica, incluido un nuevo tipo de protocolo de cifrado. El lanzamiento del satélite Micius en 2016 demostró la capacidad de China para desplegar la distribución de claves cuánticas (QKD), una forma de cifrado cuántico, entre Pekín y una estación terrestre en el oeste de China. El equipo de CAS también utilizó el Micius para realizar otros experimentos notables por las distancias involucradas, y en 2017, llevaron a cabo la "primera teleconferencia virtual cifrada cuánticamente del mundo" con el Instituto Austriaco de Óptica Cuántica e Información Cuántica (IQOQI), salvando una distancia de más de 7.400 kilómetros. Desde entonces, el CAS ha seguido desarrollando y demostrando nuevos experimentos diseñados para proteger aún más las comunicaciones cuánticas a través de nodos "no confiables".
Si bien la Agencia de Seguridad Nacional (NSA, por sus siglas en inglés) desalienta a las entidades estadounidenses a usar QKD para el cifrado, la exitosa demostración de China demuestra su capacidad para producir y codificar qubits fotónicos bajo demanda, mantener la intensidad de la señal y evitar una pérdida significativa de qubits a través de miles de millas de espacio libre y transmisión de fibra óptica, y desarrollar estaciones repetidoras cuánticas seguras y precisas.
El programa QUESS es solo una de las muchas líneas de esfuerzo que está llevando a cabo el PCCh. China también ha logrado avances significativos en la computación cuántica. En 2021, la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC) reveló una computadora superconductora avanzada, llamada Zuchongzhi 2 en honor a un famoso matemático e inventor chino, que utilizaba 56 qubits de un total de 66. Lo que fue notable fue que, según los informes, el Zuchongzhi 2 "resolvió un problema tres veces más difícil" de lo que la computadora Sycamore de Google podía resolver. La computadora Google Sycamore es una computadora superconductora de 53 qubits que había marcado el primer punto de "supremacía cuántica" en 2019. China también demostró la Jiuzhang 2, una computadora fotónica qubit cuya velocidad y potencia computacional superan con creces esos otros esfuerzos por factores que se cree que son de miles de millones, al menos en entornos de laboratorio altamente controlados.
Además de la construcción de prototipos de computadoras cuánticas, los investigadores chinos han estado desarrollando técnicas para resolver desafíos cuánticos fundamentales, como la corrección de errores y el descifrado de códigos. Un artículo de finales de 2022 de investigadores universitarios chinos propone un método para romper el cifrado RSA estándar con una computadora de 372 qubits. El descifrado RSA, que podría usarse para una estrategia de inteligencia de "cosechar ahora, descifrar después", se estimó anteriormente que requería cientos de miles de qubits. Si bien el documento es controvertido en la comunidad científica y aún no ha pasado la revisión por pares, la investigación ejemplifica el esfuerzo sostenido de China.
China ha hecho otras afirmaciones cuánticas que justifican el escrutinio. Los anuncios públicos sobre el radar cuántico, por ejemplo, se han encontrado con el escepticismo de los científicos internacionales. El radar cuántico envía una partícula de un par entrelazado, manteniendo la otra almacenada. Si la partícula entrelazada regresa, representa una detección positiva de un objetivo. China sugiere que este radar cuántico es una capacidad anti-stealth resistente a la interferencia, e incluso promocionó un prototipo de China Electronics Technology Group Corp. en el Salón Aeronáutico de Zhuhai de 2018. Un artículo más reciente de 2021 de la Universidad de Tsinghua reclamó la existencia de un diseño mejorado de radar cuántico que aumentaba la probabilidad de detección de un objeto stealth del 10 por ciento al 95 por ciento. Otros científicos, sin embargo, siguen siendo escépticos.
La idea detrás de un radar cuántico es que un fotón cambia cuando rebota en un avión furtivo y, por lo tanto, cambia el fotón compañero almacenado. Pero el almacenamiento cuántico aún está en una fase temprana de desarrollo, no se puede controlar el estado del fotón almacenado en busca de cambios o lo colapsaría, y aunque es posible que conozca el azimut del contacto detectado, no tendría idea del alcance porque recibe muy pocas partículas. Los comentarios del físico francés Fabrice Boust son representativos: "Estoy convencido de que cuando anunciaron su radar cuántico no funcionaba... Pero sabían que obtendrían una reacción".
Incluso si el descifrado RSA y el radar cuántico son principalmente propaganda del PCCh, China no tiene intención de quedarse atrás en la ciencia o las tecnologías cuánticas. En 2008, China estableció el "Plan de los Mil Talentos", un programa dirigido por el gobierno para reclutar y emplear a investigadores científicos extranjeros en la industria y el mundo académico chinos. Según un informe de un comité del Senado de Estados Unidos, es uno de los más de 200 programas de reclutamiento de talentos que el PCCh está cultivando para acelerar la innovación científica nacional china. Estos programas van mucho más allá de las ofertas de trabajo: las actividades documentadas incluyen la realización de colaboraciones científicas no reveladas, el ocultamiento de las afiliaciones institucionales chinas, el espionaje académico y económico, el robo de propiedad intelectual y datos técnicos, y la facilitación de relaciones clandestinas con el Ejército Popular de Liberación (EPL).
El 14º Plan Especial Quinquenal para la Fusión Militar-Civil de Ciencia y Tecnología de China, su plan estratégico y económico más reciente, destaca específicamente el QIST, entre otras tecnologías como la inteligencia artificial y el aprendizaje automático, como un imperativo nacional. Esto explica en parte la inversión del gobierno chino de un estimado de 15.300 millones de dólares en investigación cuántica hasta la fecha. Aunque existe cierto debate sobre la veracidad de estas afirmaciones financieras, de ser precisas significaría que la inversión del PCCh es más del doble que la de la Unión Europea (8.400 millones de dólares) y el triple que la del gobierno de Estados Unidos (3.700 millones de dólares) en investigación cuántica. Incluso las estimaciones más conservadoras de la inversión china -4.000 millones de dólares- harían que China superara fácilmente la inversión del gobierno estadounidense.
Los experimentos de China también representan aplicaciones militares prácticas, incluso si aún no se pueden llevar a cabo en el campo. El secretario de la Fuerza Aérea, Frank Kendall, reconoció: "Está bastante claro para mí que estamos en una carrera por la superioridad tecnológica con China en lo que respecta a la guerra convencional". El director del Instituto de Estudios Aeroespaciales de China estuvo de acuerdo, advirtiendo que los hipersónicos y la computación cuántica se erigen como "campos de nicho", donde China está cerrando rápidamente la brecha entre sus capacidades y las de Estados Unidos. Algunos en la industria, incluido el jefe de Amenazas Cibernéticas Estratégicas de Booz Allen Hamilton, creen que China puede estar en camino de superar a Estados Unidos.
Conclusiones clave para los responsables de la toma de decisiones de alto nivel
1. Una sólida comprensión de los conceptos básicos de la ciencia cuántica es crucial para capacitar a los líderes de defensa de EE. UU. para evaluar las aplicaciones QIST propuestas. Esto no significa que deban convertirse en científicos cuánticos o resolver ecuaciones matemáticas complejas, pero deben estar lo suficientemente alfabetizados como para hacer las preguntas correctas, hacer coincidir la tecnología con casos de uso de alto valor e identificar desafíos tecnológicos clave. Comprender los principios del entrelazamiento, la interferencia, la no localidad, la teletransportación, la no clonación, etc., puede parecer muy esotérico, pero es vital asegurarse de que las discusiones en torno a los programas QIST no dejen a los líderes de alto nivel en la oscuridad. Los líderes sénior deben estar equipados para presionar a los ingenieros sobre todo, incluidos los tiempos de coherencia de los qubits; sobrecarga de qubits; qubits lógicos; requisitos de potencia, tamaño y refrigeración; y la robustez general del sistema cuántico. Cuando se trata de tecnologías cuánticas, los detalles importan.
2. Los líderes de defensa deben tener una base sólida en ciencia cuántica para contextualizar adecuadamente las implicaciones operativas y estratégicas de las demostraciones tecnológicas chinas. China está buscando agresivamente aplicaciones cuánticas, incluida la computación, la distribución de claves cuánticas y el radar. Si bien parte de esto es un pavoneo estratégico, otras demostraciones cuánticas son indicativas de un claro compromiso con la resolución de los difíciles problemas de desplegar aplicaciones cuánticas útiles. El conocimiento de la ciencia puede ayudar a los responsables políticos a evaluar los desarrollos chinos. Por ejemplo, algunas afirmaciones, como el radar cuántico, parecen intimidantes y preocupantes, pero lo más probable es que sean fanfarronadas vacías. Otras demostraciones muy públicas, como QKD, pueden no tener casos de uso aparentes, pero demuestran claramente que China está dedicada a trabajar a través de muchos de los desafíos científicos y de ingeniería para desplegar una amplia gama de capacidades cuánticas. Los altos directivos deben tomarse en serio los avances chinos en computación cuántica y considerar sus posibles consecuencias estratégicas.
3. Los líderes de defensa de EE.UU. deben establecer una definición de trabajo de una ventaja cuántica que no sea puramente académica y reconozca la naturaleza estratégica global de la competencia. Una "ventaja cuántica" para el Departamento de Defensa evaluaría las posiciones tecnológicas comparativas de Estados Unidos y adversarios como China con respecto a sus esfuerzos QIST. Esta evaluación comparativa ofrece una comprensión mucho más práctica de la "ventaja cuántica" porque honra la naturaleza estratégica global de la competencia. Esta definición, a diferencia de la más académica, también reconoce que la ventaja cuántica no es un evento de "día cero" sino más bien un maratón.
4. Los responsables de la formulación de políticas deben comprender y considerar las ventajas y desventajas de cada modalidad y sus qubits para que puedan tomar decisiones informadas sobre la mejor manera de adaptar las modalidades a sus casos de uso. Si bien algunas modalidades pueden ser más flexibles y tener beneficios en una variedad de aplicaciones, no existe una única modalidad mejor. Esto significa que los líderes sénior deben ser exigentes a la hora de evaluar qué modalidades se adaptan mejor a los casos de uso operativo. Por ejemplo, la modalidad superconductora probablemente no sea ideal para aplicaciones de aviones de combate. Al igual que con cualquier diseño técnico, los responsables de la formulación de políticas deben comprender las compensaciones entre la capacidad, el costo, la complejidad, el tamaño y la utilidad operativa de las modalidades cuánticas.
5. Los líderes de defensa de EE. UU. deben identificar aplicaciones cuánticas de alto rendimiento a corto plazo que se ajusten a las necesidades de los combatientes, y establecer un programa de registro basado en la cuántica para ofrecer esa capacidad. Para estimular el avance de las aplicaciones QIST y ofrecer capacidades impactantes al combatiente, el Departamento de la Fuerza Aérea debe establecer un programa cuántico de registro. El QIST debe progresar más allá de la fase de investigación básica, y sólo un programa de registro estimulará el capital privado y enfocará la ingeniería y el diseño de una manera que pueda ofrecer capacidad al combatiente. Establecer un programa de registro es clave para garantizar que los combatientes tengan lo que necesitan para asegurar no solo una ventaja cuántica, sino también una ventaja operativa.
La naturaleza de la competencia cuántica estratégica con China no da a los funcionarios de defensa de EE.UU. el lujo del tiempo. El Departamento de Defensa debe acelerar la maduración de las tecnologías cuánticas críticas para la defensa: China superará con gusto a las empresas cuánticas de EE. UU. si se desacelera. El Departamento de la Fuerza Aérea debe tomar medidas ahora para ayudar a sus líderes a comprender la ciencia subyacente necesaria para tomar decisiones que construyan deliberadamente una base industrial cuántica sólida e innovadora. Los líderes sénior deben ser capaces de tomar decisiones informadas sobre aplicaciones QIST de alto potencial y alta rentabilidad si quieren proporcionar a los futuros combatientes la ventaja de combate que necesitan.
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