Les États-Unis et la Chine sont engagés dans une course aux armements quantiques qui transformera la guerre

Mike McQuade

Dans les années 1970, au plus fort de la guerre froide, les planificateurs militaires américains ont commencé à s'inquiéter de la menace pour les avions de combat américains posée par les nouvelles défenses antimissiles guidées par radar en URSS et dans d'autres pays. En réponse, les ingénieurs d'endroits comme le célèbre Skunk Works du géant américain de la défense Lockheed Martin ont intensifié leurs travaux sur la technologie furtive qui pourrait protéger les avions des regards indiscrets des radars ennemis.

Les innovations qui en ont résulté incluent des formes inhabituelles qui dévient les ondes radar - comme la conception de l'aile volante du bombardier américain B-2 (ci-dessus) - ainsi que des matériaux à base de carbone et de nouvelles peintures . La technologie furtive n'est pas encore une cape d'invisibilité à la Harry Potter : même les avions de combat les plus avancés d'aujourd'hui reflètent encore certaines ondes radar. Mais ces signaux sont si petits et faibles qu'ils se perdent dans le bruit de fond, permettant à l'avion de passer inaperçu.

La Chine et la Russie ont depuis leurs propres avions furtifs, mais les Américains sont encore meilleurs. Ils ont donné aux États-Unis l'avantage de lancer des attaques surprises dans des campagnes comme la guerre en Irak qui a commencé en 2003.

Cet avantage est aujourd'hui menacé. En novembre 2018, China Electronics Technology Group Corporation (CETC), la plus grande société chinoise d'électronique de défense, a dévoilé un prototype de radar qui, selon elle, peut détecter les avions furtifs en vol. Le radar utilise certains des phénomènes exotiques de la physique quantique pour aider à révéler les emplacements des avions.

Ce n'est qu'une des nombreuses technologies d'inspiration quantique qui pourraient changer le visage de la guerre. En plus des avions non furtifs, ils pourraient renforcer la sécurité des communications sur le champ de bataille et affecter la capacité des sous-marins à naviguer dans les océans sans être détectés. La poursuite de ces technologies déclenche une nouvelle course aux armements entre les États-Unis et la Chine, qui considère l'ère quantique émergente comme une opportunité unique de prendre l'avantage sur son rival dans le domaine de la technologie militaire.

Observateur furtif

La rapidité avec laquelle les avancées quantiques influenceront la puissance militaire dépendra des travaux de chercheurs comme Jonathan Baugh. Professeur à l'Université de Waterloo au Canada, Baugh travaille sur un appareil qui fait partie d'un projet plus vaste visant à développer un radar quantique. Ses utilisateurs visés : les stations dans l'Arctique gérées par le Commandement de la défense aérospatiale de l'Amérique du Nord, ou NORAD, une organisation conjointe américano-canadienne.

La machine de Baugh génère des paires de photons qui sont intriqués, un phénomène qui signifie que les particules de lumière partagent un seul état quantique. Un changement d'un photon influence immédiatement l'état de l'autre, même s'ils sont séparés par de grandes distances.

Le radar quantique fonctionne en prenant un photon de chaque paire générée et en le projetant dans un faisceau de micro-ondes. L'autre photon de chaque paire est retenu à l'intérieur du système radar.

Équipement d'un prototype de système de radar quantique fabriqué par China Electronics Technology Group Corporation Imaginechina via AP Images

Seuls quelques-uns des photons émis seront réfléchis s'ils heurtent un avion furtif. Un radar conventionnel ne serait pas en mesure de distinguer ces photons de retour de la masse des autres photons entrants créés par des phénomènes naturels ou par des dispositifs de brouillage radar. Mais un radar quantique peut vérifier s'il y a des preuves que les photons entrants sont intriqués avec ceux qui sont retenus. Tout ce qui doit provenir de la station radar. Cela lui permet de détecter même le plus faible des signaux de retour dans une masse de bruit de fond.

Baugh prévient qu'il reste encore de grands défis d'ingénierie. Celles-ci comprennent le développement de flux hautement fiables de photons intriqués et la construction de détecteurs extrêmement sensibles. Il est difficile de savoir si le CETC, qui affirmait déjà en 2016 que son radar pouvait détecter des objets jusqu'à 100 kilomètres (62 miles), a résolu ces défis ; il garde secrets les détails techniques de son prototype.

Seth Lloyd, un professeur du MIT qui a développé la théorie qui sous-tend le radar quantique, dit qu'en l'absence de preuves tangibles, il est sceptique quant aux affirmations de la société chinoise. Mais, ajoute-t-il, le potentiel du radar quantique ne fait aucun doute. Lorsqu'un appareil entièrement fonctionnel sera enfin déployé, cela marquera le début de la fin de l'ère de la furtivité.

Les ambitions de la Chine

Le travail du CTEC fait partie d'un effort à long terme de la Chine pour devenir un leader mondial de la technologie quantique. Le pays fournit un financement généreux pour de nouveaux centres de recherche quantique dans les universités et construit un centre national de recherche pour la science quantique qui devrait ouvrir ses portes en 2020. Il a déjà devancé les États-Unis en enregistrant des brevets dans les communications quantiques et la cryptographie (voir graphique).

Une étude de la stratégie quantique de la Chine publié en septembre 2018 par le Center for a New American Security (CNAS), un groupe de réflexion américain, notait que l'Armée populaire de libération (APL) chinoise recrutait des spécialistes quantiques, et que de grandes entreprises de défense comme China Shipbuilding Industry Corporation (CSIC) création de laboratoires quantiques communs dans les universités. Cependant, il est difficile de déterminer exactement quels projets ont un élément militaire. Il y a un certain degré d'opacité et d'ambiguïté ici, et une partie de cela peut être délibérée, explique Elsa Kania, co-auteur de l'étude du CNAS.

Les efforts de la Chine s'intensifient alors que les craintes grandissent quant à la perte de l'avantage concurrentiel de l'armée américaine. Publication d'une commission chargée par le Congrès d'examiner la stratégie de défense de l'administration Trump un rapport en novembre 2018 avertissant que la marge de supériorité des États-Unis est profondément réduite dans des domaines clés et a appelé à davantage d'investissements dans les nouvelles technologies du champ de bataille.

L'une de ces technologies sera probablement les réseaux de communication quantiques. Des chercheurs chinois ont déjà construit un satellite capable d'envoyer des messages chiffrés quantiques entre des sites distants, ainsi qu'un réseau terrestre qui s'étend entre Pékin et Shanghai. Les deux projets ont été développés par des chercheurs scientifiques, mais le savoir-faire et l'infrastructure pourraient facilement être adaptés à un usage militaire.

Les réseaux reposent sur une approche connue sous le nom de distribution de clé quantique (QKD). Les messages sont codés sous forme de bits classiques, et les clés cryptographiques nécessaires à leur décodage sont envoyées sous forme de bits quantiques, ou qubits. Ces qubits sont généralement des photons qui peuvent voyager facilement à travers les réseaux de fibres optiques ou dans l'atmosphère. Si un ennemi tente d'intercepter et de lire les qubits, cela détruit immédiatement leur état quantique délicat, effaçant les informations qu'ils transportent et laissant un signe révélateur d'une intrusion.

La technologie QKD n'est pas encore totalement sécurisée. Les réseaux terrestres longs nécessitent des stations de chemin similaires aux répéteurs qui amplifient les signaux le long d'un câble de données ordinaire. Dans ces stations, les clés sont décodées sous forme classique avant d'être ré-encodées sous forme quantique et envoyées à la station suivante. Bien que les clés soient sous forme classique, un ennemi pourrait les pirater et les copier sans être détecté.

Pour surmonter ce problème, une équipe de chercheurs du laboratoire de recherche de l'armée américaine à Adelphi, dans le Maryland, travaille sur une approche appelée téléportation quantique. Cela implique d'utiliser l'intrication pour transférer des données entre un qubit détenu par un expéditeur et un autre détenu par un récepteur, en utilisant ce qui équivaut à une sorte de câble de données quantique virtuel à usage unique. (Il y a une description plus détaillée ici.)

Michael Brodsky, l'un des chercheurs, dit que lui et ses collègues ont travaillé sur un certain nombre de défis techniques, notamment pour trouver des moyens de s'assurer que l'état quantique délicat des qubits n'est pas perturbé pendant la transmission via les réseaux de fibre optique. La technologie est encore confinée à un laboratoire, mais l'équipe affirme qu'elle est maintenant suffisamment robuste pour être testée à l'extérieur. Les racks peuvent être placés sur des camions, et les camions peuvent être déplacés sur le terrain, explique Brodsky.

Il ne faudra peut-être pas longtemps avant que la Chine teste son propre système de téléportation quantique. Les chercheurs construisent déjà le réseau de fibre optique pour celui qui s'étendra de la ville de Zhuhai, près de Macao, à certaines îles de Hong Kong.

Boussole quantique

Les chercheurs explorent également l'utilisation d'approches quantiques pour fournir aux militaires des outils de navigation plus précis et infaillibles. Les avions et les navires de la marine américaine s'appuient déjà sur des horloges atomiques précises pour savoir où ils se trouvent. Mais ils comptent aussi sur les signaux du Global Positioning System (GPS), un réseau de satellites en orbite autour de la Terre. Cela présente un risque car un ennemi pourrait falsifier ou usurper les signaux GPS, voire les brouiller complètement.

Lockheed Martin pense que les marins américains pourraient utiliser une boussole quantique basée sur des diamants synthétiques microscopiques avec des défauts atomiques connus sous le nom de centres de lacunes d'azote, ou centres NV. Ces défauts quantiques dans le réseau de diamant peuvent être exploités pour former un magnétomètre extrêmement précis. Faire briller un laser sur des diamants avec des centres NV leur fait émettre de la lumière à une intensité qui varie en fonction du champ magnétique environnant.

Wikimédia Commons

Ned Allen, scientifique en chef de Lockheed, affirme que le magnétomètre est excellent pour détecter les anomalies magnétiques, des variations distinctives du champ magnétique terrestre causées par des dépôts magnétiques ou des formations rocheuses. Il y a déjà cartes détaillées de ces anomalies faites par des relevés satellitaires et terrestres. En comparant les anomalies détectées à l'aide du magnétomètre à ces cartes, les navigateurs peuvent déterminer où elles se trouvent. Parce que le magnétomètre indique également l'orientation des champs magnétiques, les navires et les sous-marins peuvent les utiliser pour déterminer dans quelle direction ils se dirigent.

L'armée chinoise s'inquiète clairement des menaces pesant sur sa propre version du GPS, connue sous le nom de BeiDou. Selon le rapport du CNAS, des recherches sur la navigation quantique et la technologie de détection sont en cours dans divers instituts à travers le pays.

En plus d'être utilisés pour la navigation, les magnétomètres peuvent également détecter et suivre le mouvement de gros objets métalliques, comme les sous-marins, par les fluctuations qu'ils provoquent dans les champs magnétiques locaux. Parce qu'ils sont très sensibles, les magnétomètres sont facilement perturbés par le bruit de fond, ils ne sont donc pour l'instant utilisés que pour la détection à très courte distance. Mais l'année dernière, l'Académie chinoise des sciences a laissé échapper que certains chercheurs chinois avaient trouvé un moyen de compenser cela en utilisant la technologie quantique. Cela pourrait signifier que les appareils pourraient être utilisés à l'avenir pour repérer des sous-marins à des distances beaucoup plus longues.

Une course serrée

L'utilisation des technologies quantiques par les militaires n'en est qu'à ses débuts. Il n'y a aucune garantie qu'ils fonctionneront bien à grande échelle ou dans des situations de conflit où une fiabilité absolue est essentielle. Mais s'ils réussissent, le cryptage quantique et le radar quantique pourraient avoir un impact particulièrement important. Le décodage et le radar ont contribué à changer le cours de la Seconde Guerre mondiale. Les communications quantiques pourraient rendre le vol de messages secrets beaucoup plus difficile, voire impossible. Le radar quantique rendrait les avions furtifs aussi visibles que les avions ordinaires. Les deux choses changeraient la donne.

Il est également trop tôt pour dire si ce seront la Chine ou les États-Unis qui sortiront vainqueurs de la course aux armements quantiques, ou si cela conduira à une impasse de type guerre froide. Mais l'argent que la Chine verse dans la recherche quantique est un signe de sa détermination à prendre les devants.

La Chine a également réussi à cultiver des relations de travail étroites entre les instituts de recherche gouvernementaux, les universités et les entreprises comme le CSIC et le CETC. Les États-Unis, en comparaison, viennent tout juste d'adopter une législation pour créer un plan national de coordination des efforts publics et privés. Le retard dans l'adoption d'une telle approche a conduit à de nombreux projets cloisonnés et pourrait ralentir le développement d'applications militaires utiles. Nous essayons d'amener la communauté de la recherche à adopter davantage une approche systémique, déclare Brodsky, l'expert quantique de l'armée américaine.

Pourtant, l'armée américaine a certains avantages distincts par rapport à l'APL. Le ministère de la Défense investit depuis très longtemps dans la recherche quantique, tout comme les agences d'espionnage américaines. Les connaissances générées expliquent pourquoi les entreprises américaines sont en tête dans des domaines tels que le développement de puissants ordinateurs quantiques, qui exploitent des qubits intriqués pour générer d'immenses quantités de puissance de traitement.

L'armée américaine peut également exploiter le travail effectué par ses alliés et par une communauté de recherche universitaire dynamique dans son pays. La recherche radar de Baugh, par exemple, est financée par le gouvernement canadien, et les États-Unis prévoient une initiative de recherche conjointe avec leurs partenaires militaires les plus proches – le Canada, le Royaume-Uni, l'Australie et la Nouvelle-Zélande – dans des domaines comme la navigation quantique.

Tout cela a donné aux États-Unis une longueur d'avance dans la course aux armements quantiques. Mais les efforts impressionnants de la Chine pour dynamiser la recherche quantique signifient que l'écart entre eux se réduit rapidement.

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