Mỹ phát triển cảm biến lượng tử mới: ‘Mắt thần’ nhìn xuyên chiến trường?
Trên chiến trường hiện đại, mối đe dọa không chỉ đến từ tên lửa, xe tăng, pháo binh hay UAV cảm tử. Đôi khi, lợi thế lại bắt đầu từ một tín hiệu vô tuyến rất nhỏ, gần như vô hình giữa môi trường điện từ dày đặc.
Các nhà khoa học thuộc Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Lục quân Mỹ (ARL), trực thuộc Bộ Tư lệnh Phát triển Năng lực Tác chiến Mỹ (DEVCOM), vừa trình diễn một cảm biến lượng tử có khả năng đo hướng ba chiều của trường điện từ tần số vô tuyến.
Thiết bị không chỉ phát hiện tín hiệu radio, mà còn có thể xác định tín hiệu đó lan truyền theo hướng nào trong không gian 3D. Đây là điểm đáng chú ý, bởi trên chiến trường hiện đại, việc biết “có tín hiệu” mới chỉ là bước đầu. Điều quan trọng hơn là phải hiểu tín hiệu đó đến từ đâu, di chuyển ra sao và có thể gợi ý điều gì về nguồn phát.
Cuộc chiến trong phổ điện từ
Chiến tranh hiện đại không chỉ diễn ra trên mặt đất, trên không, trên biển hay trong không gian mạng. Một mặt trận khác ngày càng quan trọng là phổ điện từ.
Hầu hết khí tài quân sự hiện nay đều phụ thuộc vào tín hiệu. Radar dùng sóng điện từ để phát hiện mục tiêu. UAV cần liên kết dữ liệu để truyền hình ảnh và nhận lệnh điều khiển. Các đơn vị tác chiến cần liên lạc liên tục để phối hợp hỏa lực. Trong khi đó, hệ thống tác chiến điện tử lại tìm cách gây nhiễu, làm gián đoạn hoặc đánh lừa tín hiệu của đối phương.
Khi có quá nhiều nguồn phát hoạt động cùng lúc, việc phân biệt đâu là tín hiệu quan trọng, đâu là mồi nhử, đâu là radar đối phương hoặc trạm điều khiển UAV trở nên rất khó. Vì vậy, chỉ phát hiện tín hiệu là chưa đủ. Lực lượng tác chiến cần biết tín hiệu đó đến từ hướng nào và có thể liên quan đến mối đe dọa nào.
Nếu một đơn vị nhanh chóng xác định được hướng phát tín hiệu, họ có thể khoanh vùng vị trí radar, phương tiện tác chiến điện tử, sở chỉ huy hoặc trạm điều khiển máy bay không người lái của đối phương. Đây chính là nhu cầu mà cảm biến lượng tử của Lục quân Mỹ được kỳ vọng hỗ trợ.
Theo nhà vật lý David Meyer của ARL, nghiên cứu về khoa học lượng tử có thể đem lại cho binh sĩ những cách mới để cảm nhận và hiểu môi trường xung quanh. Công nghệ này mở ra khả năng phát hiện và định vị tín hiệu trên dải tần rộng bằng một gói cảm biến nhỏ gọn, kể cả trong môi trường phức tạp.
Với quân đội Mỹ, điểm đáng chú ý không chỉ nằm ở độ nhạy của thiết bị, mà còn ở khả năng thu gọn hệ thống. Một cảm biến càng nhỏ, càng linh hoạt và càng ít phụ thuộc vào cấu hình cồng kềnh thì càng dễ tích hợp lên xe chiến đấu, trạm chỉ huy dã chiến, khí tài trinh sát hoặc nền tảng không người lái.
Thiết bị nhỏ, tham vọng lớn
Cốt lõi của công nghệ này nằm ở nguyên tử Rydberg, một dạng nguyên tử được kích thích lên mức năng lượng rất cao. Ở trạng thái này, một electron bị đẩy ra quỹ đạo rất xa so với hạt nhân, khiến nguyên tử trở nên đặc biệt nhạy với điện trường xung quanh.
Khi kết hợp với khí rubidi, các nguyên tử Rydberg tạo thành một môi trường khí lượng tử có khả năng phản ứng mạnh trước những biến đổi rất nhỏ của trường điện từ. Đây chính là nền tảng để phát triển các cảm biến điện từ siêu nhạy.
Trong cảm biến do Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Lục quân Mỹ (ARL) phát triển, khí nguyên tử rubidi được đặt trong một buồng thủy tinh nhỏ và chiếu bằng laser. Khi sóng vô tuyến đi qua, các nguyên tử trong buồng sẽ thay đổi trạng thái theo cách có thể đo được. Từ những phản ứng này, thiết bị có thể đọc thông tin về trường điện từ xung quanh.
Điểm đáng chú ý là cảm biến lượng tử Rydberg không chỉ đo cường độ tín hiệu. Khác với nhiều thiết bị truyền thống thường ghi nhận trường điện từ theo một hướng tại một thời điểm, công nghệ này có thể thu thập thêm hướng phân cực 3D và hướng lan truyền của sóng. Nhờ đó, người vận hành có cái nhìn đầy đủ hơn về môi trường tần số vô tuyến, nơi radar, liên lạc, UAV và thiết bị gây nhiễu cùng hoạt động.
Dù chỉ có kích thước vài centimet, cảm biến Rydberg được đánh giá có tiềm năng hoạt động trên dải tần rộng. Nếu được phát triển thành hệ thống thực tế, một thiết bị nhỏ có thể theo dõi nhiều loại tín hiệu mà không cần nhiều bộ thu riêng biệt. Điều này giúp các đơn vị cơ động giảm tải trang bị nhưng vẫn duy trì khả năng quan sát liên tục.
Không chỉ phát hiện, mà còn xác định hướng
Một trong những năng lực quan trọng nhất của cảm biến mới là xác định hướng lan truyền của trường điện từ. Với các hệ thống thông thường, phát hiện tín hiệu radio chưa đủ để biết nguồn phát ở đâu hoặc sóng đang di chuyển theo hướng nào. Muốn định vị chính xác, quân đội thường phải dùng nhiều cảm biến, nhiều ăng-ten hoặc các phương pháp xử lý phức tạp.
Cảm biến Rydberg giải quyết bài toán này bằng cách đo trường điện từ trong không gian ba chiều. Theo nhóm nghiên cứu, hệ thống có thể nhận biết hướng lan truyền với sai số góc khoảng 2 độ. Nếu năng lực này được hoàn thiện để hoạt động ổn định ngoài thực địa, quân đội có thể rút ngắn đáng kể chu trình phát hiện, phân tích và phản ứng.
Trong tác chiến, thiết bị có thể hỗ trợ nhận diện tín hiệu liên lạc lạ, đường truyền điều khiển UAV, radar chiến thuật hoặc nguồn gây nhiễu. Nó cũng giúp bảo vệ liên lạc quân sự, bởi khi hiểu rõ không gian điện từ xung quanh, lực lượng vận hành sẽ có thêm cơ sở để điều chỉnh phương thức kết nối và giảm nguy cơ bị đối phương theo dõi.
Từ phòng thí nghiệm đến chiến trường
Dù có nhiều triển vọng, cảm biến lượng tử Rydberg vẫn chưa thể thay thế ngay các hệ thống hiện có. Công bố của Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Lục quân Mỹ (ARL) hiện mới là bước tiến trong nghiên cứu và trình diễn kỹ thuật, chưa phải trang bị sẵn sàng triển khai rộng rãi.
Để hoạt động ngoài phòng thí nghiệm, công nghệ này còn phải vượt qua nhiều thách thức như độ bền, nguồn điện, độ ổn định của laser, khả năng chống rung, chi phí sản xuất và năng lực vận hành trong môi trường điện từ phức tạp.
Tuy vậy, đây không phải thành tựu ngẫu nhiên. ARL đã nghiên cứu cảm biến lượng tử và điện kế Rydberg trong nhiều năm, bao gồm đo phân cực trường tần số vô tuyến và giải mã thông tin mã hóa trong phân cực. Bước tiến mới tiếp tục mở rộng hướng đi này, đưa công nghệ đến gần hơn mục tiêu tái dựng bức tranh ba chiều của tín hiệu điện từ.
Cảm biến Rydberg không phải vũ khí tấn công, nhưng có thể giúp phát hiện những tín hiệu vô hình mà đối phương phát ra. Trên chiến trường hiện đại, giá trị của công nghệ này nằm ở khả năng biến phổ điện từ khó quan sát thành dữ liệu có thể phân tích và hành động.
