Nỗ lực của Trung Quốc nhằm sản xuất hàng loạt công nghệ radar lượng tử

Radar lượng tử bước vào giai đoạn bàn về sản xuất hàng loạt

Trung Quốc cho biết đã bắt đầu sản xuất hàng loạt một thiết bị mà nước này gọi là “thiết bị bắt photon”, một máy dò photon đơn được chế tạo để phát hiện những tín hiệu yếu nhất có thể. Tuyên bố này cho thấy mục tiêu chiến lược đã thôi thúc các phòng thí nghiệm quốc phòng trong nhiều năm: radar lượng tử có thể phát hiện máy bay được thiết kế để né radar truyền thống, trong đó có các tiêm kích tàng hình của Mỹ. Thông báo được đưa ra từ Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Kỹ thuật Thông tin Lượng tử tại tỉnh An Huy và được Science and Technology Daily, ấn phẩm của Bộ Khoa học và Công nghệ, đưa tin. Thiết bị được mô tả là có độ nhiễu cực thấp và bốn kênh; các nguồn tin Trung Quốc xem đây là khối cấu phần cốt lõi cho những hệ thống cảm biến và truyền thông lượng tử trong tương lai.

Mức độ quan trọng là rất lớn. Máy bay tàng hình dựa vào hình dáng, lớp phủ và chiến thuật để giảm tín hiệu phản xạ radar cũng như đánh lạc hướng cảm biến. Nếu radar lượng tử khả thi có thể phân biệt tín hiệu thật với nhiễu xung quanh bằng cách khai thác các đặc tính lượng tử của ánh sáng, những máy bay dựa vào khả năng tàng hình sẽ dễ bị phát hiện hơn. Các nhà hoạch định quốc phòng tại Mỹ và các nước đồng minh đang theo dõi, bởi học thuyết không quân của họ giả định rằng những chiến dịch tàng hình được lên kế hoạch kỹ lưỡng có thể xuyên thủng các hệ thống phòng không tích hợp với mức rủi ro chấp nhận được. Một radar lượng tử hoạt động được sẽ làm thay đổi cách đánh giá rủi ro trong phòng không, giám sát hàng hải và quản lý chiến trường.

Trung Quốc chưa công bố radar đã được triển khai thực tế. Nước này đang giới thiệu một linh kiện, chứ không phải một hệ thống hoàn chỉnh. Dù vậy, việc sản xuất hàng loạt một máy dò nhạy cho thấy nỗ lực mở rộng quy mô phần cứng vốn trước đây chỉ có trong phòng thí nghiệm. Khoảng cách giữa một thiết bị trong phòng thí nghiệm và radar tác chiến còn rất lớn, với nhiều trở ngại kỹ thuật chưa được giải quyết. Hiện tại, câu chuyện không nằm nhiều ở một năng lực hoàn thiện, mà ở cuộc đua phát triển phần cứng cần thiết để đưa công nghệ cảm biến lượng tử ra khỏi phòng thí nghiệm và vào ứng dụng thực tế.

Trung Quốc cho biết đã chế tạo được gì

Truyền thông nhà nước Trung Quốc mô tả thiết bị bắt photon là máy dò photon đơn bốn kênh có độ nhiễu cực thấp đầu tiên được đưa vào sản xuất hàng loạt. Kiến trúc bốn kênh cho phép phát hiện đồng thời nhiều tín hiệu, qua đó có thể cải thiện khả năng tạo ảnh và tăng tốc độ xử lý. Các bản tin cho biết thiết bị giảm nhiễu đáng kể và có thể hoạt động ở nhiệt độ rất thấp, khoảng âm 120 độ C, giúp bảo toàn các trạng thái lượng tử mong manh. Một tuyên bố khác cho rằng cụm thiết bị này nhỏ hơn nhiều so với các sản phẩm cạnh tranh, chỉ bằng khoảng một phần chín kích thước của các bộ phận một kênh phổ biến. Phần cứng nhỏ hơn có thể dễ tích hợp vào các hệ thống cảm biến di động hoặc phân tán.

Mục đích của máy dò photon đơn thì dễ diễn đạt nhưng khó thực hiện: phải ghi nhận đáng tin cậy thời điểm một photon đến, tức đơn vị ánh sáng rời rạc nhỏ nhất, đồng thời loại bỏ mọi thứ khác. Trong môi trường thực tế, photon đơn đó bị bao quanh bởi bức xạ nhiệt, ánh sáng mặt trời, ánh phản xạ, nhiễu điện tử và nhiễu của cảm biến. Các nguồn tin Trung Quốc nhấn mạnh rằng sản xuất hàng loạt giúp tự chủ về một linh kiện lượng tử then chốt, mang cả ý nghĩa công nghiệp lẫn chiến lược.

Science and Technology Daily, đơn vị trực thuộc Bộ Khoa học và Công nghệ, dùng một phép so sánh sống động để giải thích thách thức này. Tờ báo mô tả độ chính xác cần thiết để tách tín hiệu thật khỏi môi trường nhiễu.

Theo Science and Technology Daily, ấn phẩm của Bộ Khoa học và Công nghệ Trung Quốc, việc tách riêng một photon tương tự như thực hiện một hành động gần như bất khả thi. Cơ quan này minh họa độ nhạy ấy bằng một hình ảnh ấn tượng:

như phân biệt tiếng một hạt cát rơi giữa cơn giông

Truyền thông nhà nước cũng cho biết máy dò sẽ hỗ trợ các mạng truyền thông lượng tử, phân phối khóa lượng tử để bảo mật liên lạc và nhiều ứng dụng cảm biến ngoài radar, từ chụp ảnh y sinh đến đo khoảng cách bằng laser trong không gian sâu. Thiết bị được giới thiệu như một phần trong nỗ lực rộng lớn hơn của quốc gia nhằm nội địa hóa các linh kiện lượng tử cốt lõi.

Radar lượng tử hoạt động như thế nào

Radar lượng tử là thuật ngữ bao quát các phương pháp cảm biến sử dụng cơ học lượng tử để cải thiện khả năng phát hiện trong điều kiện nhiễu cao hoặc công suất thấp. Một phương pháp, thường gọi là chiếu sáng lượng tử, bắt đầu bằng việc tạo ra các cặp photon vướng víu. Sự vướng víu liên kết các đặc tính của hai photon ngay từ lúc được tạo ra, khiến chúng mang dấu vân tay chung. Radar hướng một photon về phía mục tiêu và lưu trữ photon còn lại trong một bộ nhớ đặc biệt. Nếu có photon phản hồi, bộ thu sẽ so sánh photon đó với photon được lưu trữ. Sự trùng khớp cho thấy nhiều khả năng photon phản hồi bắt nguồn từ photon đã phát đi, chứ không phải từ nhiễu nền ngẫu nhiên. Tương quan, chứ không phải cường độ tín hiệu thô, mới là yếu tố then chốt.

Chiếu sáng lượng tử nói một cách đơn giản

Radar thông thường phát ra nhiều sóng vô tuyến, thu các tiếng vọng rồi tìm những dạng tín hiệu nổi lên trên nền nhiễu. Công nghệ tàng hình phát huy tác dụng bằng cách giảm tiếng vọng, thường đến mức bộ thu không thể phân biệt chúng với nhiễu lộn xộn. Trong hệ thống lượng tử, radar tìm mối liên hệ đặc trưng giữa photon phát đi và bất kỳ photon nào phản hồi. Ngay cả khi tín hiệu phản hồi rất yếu, mối liên kết độc nhất này vẫn có thể khiến nó nổi bật. Phương pháp này cũng có thể chống lại một số thủ thuật như giả mạo bằng bộ nhớ tần số vô tuyến số, vì thiết bị gây nhiễu khó có thể tái tạo chính xác trạng thái lượng tử của một photon.

Vì sao gây nhiễu trở nên khó hơn

Các chiến thuật tác chiến điện tử tìm cách làm mù hoặc đánh lạc hướng radar bằng cách đưa tín hiệu giả vào hoặc làm nó quá tải bằng nhiễu. Vật lý của các trạng thái lượng tử tạo ra một lớp phòng vệ, bởi đối phương không thể sao chép hoàn hảo một trạng thái lượng tử. Điều đó không khiến radar trở nên bất khả xâm phạm, nhưng làm thay đổi cuộc chơi. Thách thức lớn hơn không phải là khả năng chống gây nhiễu, mà là chế tạo một hệ thống có thể tạo, phát, lưu trữ và đo các photon phù hợp ở khoảng cách hữu ích và trong những khoảng thời gian thực tế.

Vì sao tiêm kích tàng hình có thể bị lộ diện

Máy bay tàng hình như F-22 và F-35 giảm diện tích phản xạ radar bằng cách tạo hình thân máy bay để làm lệch sóng, đồng thời sử dụng vật liệu và lớp phủ hấp thụ năng lượng. Chúng cũng mang vũ khí bên trong và kiểm soát phát xạ radar để hạn chế khả năng bị phát hiện. Những biện pháp này hiệu quả trước radar truyền thống, vốn phụ thuộc vào cường độ tiếng vọng. Radar lượng tử có thể xác nhận photon phản hồi thực sự liên kết với photon đã phát ra, nhờ đó phát hiện máy bay ngay cả khi tín hiệu phản hồi yếu. Về nguyên tắc, điều này làm giảm lợi thế của khả năng tàng hình. Trên thực tế, kết quả còn tùy thuộc vào tầm hoạt động, tốc độ đo và khả năng theo dõi mục tiêu khi chúng cơ động giữa môi trường nhiễu lộn xộn.

Các bản tin Trung Quốc cho rằng máy dò photon đơn đa kênh sẽ cải thiện tốc độ phát hiện và tạo ảnh. Thiết bị này cũng có thể giảm năng lượng radar cần phát ra, khiến bản thân radar khó bị phát hiện hơn. Nếu thiết bị tiêu thụ ít điện năng hơn và hoạt động ổn định trên dải nhiệt độ rộng hơn các máy dò siêu dẫn đời cũ, nó có thể được trang bị cho nhiều nền tảng hơn, từ các trạm mặt đất cố định đến khinh khí cầu bay cao hoặc máy bay không người lái. Triển vọng là một bộ thu nhạy hơn, có thể biến dòng photon nhỏ giọt thành tín hiệu phát hiện đáng tin cậy.

Những bài toán vật lý khó vẫn còn đó

Cảm biến lượng tử hoạt động tốt nhất ở khoảng cách ngắn, nơi các tương quan mong manh có thể được duy trì. Nhiều thử nghiệm đã diễn ra trong không gian phòng thí nghiệm, ở khoảng cách vài chục feet, hoặc xa nhất là vài kilomet trong điều kiện lý tưởng. Các tuyên bố về khả năng phát hiện ở khoảng cách 100 km trong những thử nghiệm trước đây vẫn còn gây tranh cãi bên ngoài Trung Quốc và chưa dẫn đến hệ thống được triển khai công khai. Ngay cả các phân tích của Trung Quốc cũng chỉ ra những hạn chế dai dẳng cản trở việc triển khai nhanh chóng.

Tạo các cặp photon vướng víu ở tần số vô tuyến, vốn truyền đi xa và xuyên qua thời tiết, khó hơn nhiều so với ở bước sóng quang học hoặc vi sóng. Các thiết bị tạo và đếm photon thường cần được làm lạnh bằng kỹ thuật đông lạnh sâu để duy trì tính kết hợp lượng tử. Nhiều máy tính lượng tử vận hành gần độ không tuyệt đối là có lý do. Làm lạnh cảm biến trên máy bay hoặc ăng-ten mặt đất xoay đến mức đó là một thách thức kỹ thuật lớn, làm tăng trọng lượng, nhu cầu điện năng và độ phức tạp trong bảo trì.

Mất kết hợp lượng tử, tức xu hướng các trạng thái lượng tử tan rã khi tương tác với môi trường, hạn chế tầm hoạt động và độ tin cậy. Radar cần đo hướng và tốc độ nhanh để theo dõi mục tiêu. Radar thông thường dễ dàng trích xuất độ dịch Doppler để xác định vận tốc. Các phương pháp lượng tử dùng photon đơn có thể gặp khó khăn khi thu thập thông tin vận tốc đủ nhanh nếu không tích hợp dữ liệu trong thời gian dài. Thời gian tích hợp dài có thể phù hợp với việc tạo ảnh cảnh tĩnh, nhưng không đáp ứng nhịp độ của phòng không, nơi từng giây đều quan trọng. Sự hấp thụ và tán xạ trong khí quyển cùng bức xạ nền còn làm tăng thêm nhiễu.

Các tổ chức nghiên cứu Mỹ thừa nhận những lợi thế về lý thuyết, nhưng cho rằng các hệ thống hiện nay vẫn chưa thực tế cho việc phát hiện tầm xa. Đánh giá thận trọng đó vẫn là cơ sở bên ngoài các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm. Bước chuyển từ một thử nghiệm trên bàn sạch sang radar tác chiến có thể quét không gian rộng, hợp nhất dữ liệu từ nhiều kênh và duy trì hiệu chuẩn ổn định ngày này qua ngày khác là một thách thức không nhỏ.

Máy dò mới có thể tạo ra thay đổi gì

Một máy dò photon đơn tốt hơn có thể cải thiện mắt xích yếu nhất của radar lượng tử: bộ thu. Nếu thiết bị giảm nhiễu, ghi nhận được nhiều sự kiện photon thật hơn và xử lý nhiều kênh cùng lúc, radar có thể thu thập dữ liệu hữu ích nhanh hơn. Tạo ảnh nhanh hơn làm tăng khả năng phát hiện mục tiêu di chuyển nhanh và xác định vị trí của chúng. Thu nhận đa kênh cũng cho phép áp dụng chiến lược đa bước sóng. Hệ thống có thể dò bằng các tần số khác nhau rồi kết hợp kết quả để tăng độ tin cậy.

Mô tả của Trung Quốc cho biết máy dò tiêu thụ ít điện năng và phát ra ít năng lượng hơn khi dùng trong radar, khiến hệ thống khó bị cảm biến đối phương phát hiện. Phát tín hiệu năng lượng thấp có lợi cho khả năng sống sót. Điều này cũng quan trọng với các nền tảng có nguồn điện hạn chế, như máy bay không người lái cỡ nhỏ và khinh khí cầu tầng bình lưu. Nếu xác nhận được thiết kế nhỏ gọn, máy dò sẽ mở rộng các địa điểm có thể triển khai cảm biến, từ mạng lưới trên mặt đất đến phương tiện tuần tra biển. Nếu được bố trí tại nhiều nút, một mạng lưới cảm biến lượng tử công suất khiêm tốn có thể chia sẻ tín hiệu và xác nhận chéo các mục tiêu.

Từ thiết bị trong phòng thí nghiệm đến phòng không nhiều lớp

Ngay cả khi một radar lượng tử chưa thể hoạt động độc lập, tín hiệu phản hồi của nó vẫn có thể bổ sung cho bức tranh giám sát rộng hơn. Trung Quốc đã đầu tư vào các radar tần số rất cao, vốn có khả năng phát hiện máy bay có diện tích phản xạ radar thấp tốt hơn, cũng như các cảm biến quang học trong không gian. Các thông tin về vệ tinh mang tải trọng quang học độ phân giải cao cho thấy một hướng đi nhằm giám sát diện rộng liên tục. Cảm biến tìm kiếm và theo dõi hồng ngoại, được một số không quân sử dụng, có thể phát hiện dấu nhiệt của máy bay bất kể khả năng tàng hình trước radar. Radar ở cấp độ photon có thể tham gia vào mạng lưới này với vai trò cung cấp tín hiệu gợi ý. Khi một cảm biến phát hiện dấu hiệu của mục tiêu, các cảm biến khác có thể tập trung quan sát để hoàn thiện bức tranh.

Chiến tranh trên không hiện đại giờ là cuộc cạnh tranh giữa các mạng lưới. Bên nào hợp nhất dữ liệu từ nhiều nguồn, loại bỏ mục tiêu nghi binh và chuyển thông tin chất lượng cao phục vụ ngắm bắn đến các đơn vị khai hỏa nhanh hơn sẽ có lợi thế. Nếu Trung Quốc tích hợp được cảm biến lượng tử vào mạng lưới chỉ huy, dù ban đầu chỉ có phạm vi bao phủ ngắn, nước này vẫn có thể tạo ra cơ hội phát hiện ở những nơi trước đây chưa có. Máy bay tàng hình vẫn sẽ rút ngắn khoảng thời gian có thể giao chiến và làm phức tạp việc ngắm bắn, nhưng sẽ khó tạo được yếu tố bất ngờ hơn.

Cuộc đua toàn cầu, không phải nỗ lực của riêng một nước

Trung Quốc không phải nước duy nhất theo đuổi radar lượng tử và các cảm biến liên quan. Các trường đại học và phòng thí nghiệm chính phủ ở Bắc Mỹ và châu Âu đã tiến hành thí nghiệm chiếu sáng lượng tử hơn một thập kỷ qua. Canada tài trợ cho nghiên cứu tại Đại học Waterloo nhằm phục vụ giám sát Bắc Cực. Liên minh châu Âu đã rót nhiều tiền vào các chương trình công nghệ lượng tử, còn các công ty quốc phòng đang tìm hiểu ứng dụng cảm biến quân sự. Các phòng thí nghiệm Mỹ đã xác nhận cơ sở vật lý của công nghệ và tiếp tục nghiên cứu cảm biến lượng tử, đồng thời tập trung trước mắt vào những phương pháp đã được chứng minh như tìm kiếm và theo dõi hồng ngoại cùng các mạng vô tuyến thụ động.

Ấn Độ và các nước khác đang xây dựng trung tâm nghiên cứu lượng tử, tìm hiểu truyền thông và định vị lượng tử có thể hỗ trợ các hệ thống vệ tinh. Những khoản đầu tư này phản ánh niềm tin rộng rãi rằng công nghệ lượng tử sẽ có ý nghĩa đối với an ninh và thương mại, dù mốc thời gian còn chưa chắc chắn. Cuộc đua không chỉ xoay quanh một thiết bị cụ thể, mà còn là quá trình xây dựng nền tảng công nghiệp và khoa học. Các quốc gia có thể sản xuất hàng loạt máy dò độ nhiễu thấp, nguồn photon ổn định và bộ nhớ lượng tử bền vững sẽ có vị thế tốt hơn để triển khai các hệ thống thực tiễn khi xuất hiện đột phá.

Những diễn biến cần theo dõi

Bằng chứng cho thấy radar lượng tử đang chuyển từ tuyên bố sang năng lực thực tế sẽ đến từ các cuộc trình diễn trong điều kiện tương tự tác chiến. Những cột mốc quan trọng gồm thử nghiệm bay với cụm máy dò được làm lạnh trên nền tảng trên không, phát hiện mục tiêu ở khoảng cách nhiều kilomet và theo dõi chúng ổn định, xác nhận khả năng đo vận tốc, cũng như tích hợp vào mạng lưới phòng không để cung cấp tín hiệu gợi ý. Các thử nghiệm minh bạch được chuyên gia bên ngoài quan sát sẽ có sức thuyết phục lớn nhất.

Về phần cứng, cần theo dõi tiến bộ trong các nguồn photon tần số vô tuyến, hệ thống đông lạnh nhỏ gọn có thể hoạt động trên các nền tảng và bộ nhớ lượng tử duy trì tính kết hợp đủ lâu để ứng dụng thực tế. Về triển khai, hãy chú ý xem các máy dò nhạy có bắt đầu xuất hiện trên radar ven biển, khí cầu, máy bay không người lái hoặc tàu thuyền hay không. Nhiều khả năng công nghệ sẽ được phát triển từng bước, ban đầu bổ sung giá trị trong những vai trò chuyên biệt trước khi mở rộng phạm vi bao phủ. Cho đến khi những bước đó được thực hiện, máy bay tàng hình vẫn giữ được phần lớn lợi thế, dù các nhà hoạch định sẽ phải tính đến biên độ lợi thế ngày càng thu hẹp tại những khu vực tranh chấp.

Kết luận chính

• Trung Quốc cho biết đang sản xuất hàng loạt máy dò photon đơn bốn kênh, độ nhiễu cực thấp, có biệt danh là “thiết bị bắt photon”
• Thiết bị được giới thiệu là khối cấu phần quan trọng cho radar lượng tử và các mạng truyền thông lượng tử
• Radar lượng tử dùng photon vướng víu và kiểm tra tương quan để tách tín hiệu thật khỏi nhiễu, qua đó có thể phát hiện máy bay tàng hình
• Tầm hoạt động, khả năng làm lạnh, hiện tượng mất kết hợp lượng tử và tốc độ đo vẫn là những rào cản lớn đối với việc triển khai một hệ thống thực tế
• Máy dò tốt hơn sẽ củng cố phía bộ thu, hứa hẹn tăng tốc độ tạo ảnh và giảm mức tiêu thụ điện năng
• Dù còn hạn chế, cảm biến lượng tử có thể hỗ trợ mạng lưới phòng không nhiều lớp cùng với radar VHF, cảm biến quang học trong không gian và hệ thống hồng ngoại
• Nhiều quốc gia đang đầu tư vào cảm biến lượng tử, khiến đây trở thành cuộc cạnh tranh toàn cầu chứ không phải đột phá của riêng một nước
• Tiến bộ đáng tin cậy sẽ thể hiện qua thử nghiệm thực địa sát điều kiện thực tế, tích hợp lên các nền tảng và xác nhận độc lập