Theo nhóm nghiên cứu, thiết bị không chỉ phát hiện sự hiện diện của tín hiệu vô tuyến mà còn có thể xác định hướng lan truyền của chúng. 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 đua vô tuyến điện ngày càng phức tạp
Nếu như trong các cuộc chiến trước đây, ưu thế thường được quyết định bởi hỏa lực, quân số hoặc khả năng cơ động, thì ngày nay ngày càng nhiều hoạt động quân sự phụ thuộc vào phổ điện từ.
Radar cần phát sóng để phát hiện mục tiêu. UAV cần đường truyền dữ liệu để truyền hình ảnh và nhận lệnh điều khiển. Các đơn vị tác chiến phải duy trì liên lạc liên tục để phối hợp hỏa lực. Trong khi đó, các hệ thống tác chiến điện tử lại tìm cách gây nhiễu, đánh lừa hoặc vô hiệu hóa chính những tín hiệu này.
Điều đó khiến chiến trường hiện đại trở thành một môi trường vô tuyến ngày càng phức tạp. Trong cùng một khu vực có thể đồng thời xuất hiện tín hiệu từ radar, UAV, vệ tinh, hệ thống liên lạc chiến thuật và các thiết bị tác chiến điện tử. Vấn đề đặt ra là việc phát hiện tín hiệu đơn thuần không còn đủ. Điều quan trọng hơn là phải xác định tín hiệu đó thuộc về ai, đến từ đâu và có thể liên quan đến mối đe dọa nào. Một tín hiệu phát ra từ radar phòng không, trạm điều khiển UAV hay thiết bị gây nhiễu có thể kéo theo những phản ứng quân sự rất khác nhau.
Nếu nhanh chóng xác định được hướng phát tín hiệu, lực lượng tác chiến có thể khoanh vùng vị trí radar đối phương, trạm điều khiển UAV, nguồn gây nhiễu hoặc các nút liên lạc quan trọng. Đây chính là nhu cầu mà cảm biến lượng tử mới của ARL được kỳ vọng đáp ứng. Theo David Meyer, nhà vật lý thuộc ARL, công nghệ này có thể mở ra khả năng phát hiện và định vị tín hiệu trên dải tần rộng bằng một gói cảm biến nhỏ gọn, ngay cả trong những môi trường tác chiến phức tạp nhất.
Cảm biến làm thay đổi cuộc đua tác chiến điện tử trên chiến trường
Điểm khác biệt của cảm biến lượng tử Rydberg nằm ở cách nó “đọc” trường điện từ. Thay vì phụ thuộc chủ yếu vào kích thước, hình dạng hoặc cách bố trí ăng-ten như nhiều thiết bị thu tín hiệu truyền thống, cảm biến này khai thác phản ứng của nguyên tử khi bị tác động bởi sóng vô tuyến.
Nền tảng của công nghệ là nguyên tử Rydberg, tức trạng thái nguyên tử được kích thích lên mức năng lượng rất cao. Khi đó, electron nằm xa hạt nhân hơn nhiều so với trạng thái thông thường, khiến nguyên tử trở nên đặc biệt nhạy với những biến đổi rất nhỏ của điện trường xung quanh.
Trong thiết bị do Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Lục quân Mỹ phát triển, hơi nguyên tử rubidi được đặt trong một buồng thủy tinh nhỏ và được chiếu bằng laser để đưa các nguyên tử vào trạng thái Rydberg. Khi sóng vô tuyến đi qua buồng hơi này, trường điện từ của sóng sẽ tác động lên các nguyên tử, làm thay đổi trạng thái của chúng theo cách có thể đo được.
Những thay đổi đó sau đó được hệ thống laser ghi nhận và phân tích. Từ phản ứng của nguyên tử, cảm biến có thể suy ra cường độ trường điện từ, hướng phân cực ba chiều và hướng lan truyền của sóng vô tuyến. Đây là điểm quan trọng, bởi nó cho phép thiết bị không chỉ phát hiện tín hiệu mà còn nhận diện đặc điểm không gian của tín hiệu đó.
Theo ARL, cảm biến mới có thể xác định hướng tín hiệu với sai số khoảng 2 độ dù kích thước chỉ vài centimet. Khả năng này cho thấy một hướng tiếp cận khác so với cảm biến truyền thống, vốn thường phải dựa vào nhiều ăng-ten hoặc nhiều điểm thu để suy luận hướng nguồn phát.
Một ưu thế khác của nền tảng Rydberg là khả năng hoạt động trên dải tần rất rộng. Khác với nhiều loại ăng-ten thường được tối ưu cho từng dải tần nhất định, nguyên tử Rydberg có thể phản ứng với tín hiệu từ tần số thấp tới vùng terahertz. Điều này mở ra khả năng sử dụng một cảm biến nhỏ gọn để theo dõi nhiều loại tín hiệu khác nhau, thay vì phải triển khai nhiều bộ thu chuyên biệt.
Chính cơ chế dùng nguyên tử để đọc trực tiếp trường điện từ khiến cảm biến Rydberg trở thành một hướng phát triển đáng chú ý. Nó không chỉ thu nhận tín hiệu, mà còn biến những dao động vô hình trong phổ điện từ thành dữ liệu có thể đo đạc, phân tích và tái dựng trong không gian ba chiều.
Xuyên “màn sương” của phổ điện từ
Nếu phần công nghệ cho thấy cảm biến Rydberg hoạt động khác các thiết bị truyền thống như thế nào, thì giá trị quân sự của nó nằm ở khả năng giúp người vận hành hiểu nhanh hơn môi trường điện từ xung quanh.
Trên chiến trường hiện đại, phát hiện tín hiệu vô tuyến mới chỉ là bước đầu. Một đơn vị tác chiến cần biết tín hiệu đó đến từ đâu, thuộc về hệ thống nào và có thể liên quan tới mối đe dọa gì. Một tín hiệu phát ra từ radar chiến thuật, trạm điều khiển UAV hay thiết bị gây nhiễu có thể kéo theo những quyết định hoàn toàn khác nhau.
Đây vốn là một bài toán khó trong môi trường có mật độ tín hiệu dày đặc. Radar, hệ thống liên lạc, UAV, vệ tinh, cảm biến mặt đất và thiết bị tác chiến điện tử có thể cùng hoạt động trong một khu vực. Khi nhiều nguồn phát xuất hiện đồng thời, dữ liệu thu được dễ bị phân mảnh và khó xác định nhanh đâu là tín hiệu quan trọng.
Với khả năng đo trường điện từ trong không gian ba chiều, cảm biến Rydberg được kỳ vọng giúp rút ngắn quá trình từ phát hiện tín hiệu đến khoanh vùng nguồn phát. Trong tác chiến, điều này có thể hỗ trợ nhận diện radar đối phương, đường truyền điều khiển UAV, nguồn gây nhiễu hoặc các nút liên lạc chiến thuật đang hoạt động.
Ở chiều ngược lại, hiểu rõ môi trường điện từ cũng có ý nghĩa quan trọng đối với bảo vệ lực lượng. Khi nhận biết khu vực nào đang xuất hiện hoạt động gây nhiễu hoặc theo dõi điện tử, các đơn vị có thể chủ động điều chỉnh phương thức liên lạc, thay đổi tần số hoạt động hoặc triển khai biện pháp đối phó phù hợp.
Nói cách khác, cảm biến lượng tử không đơn thuần giúp quân đội “nhìn thấy” nhiều tín hiệu hơn. Điều mà công nghệ này hướng tới là giúp người chỉ huy hiểu rõ hơn ý nghĩa phía sau các tín hiệu đó. Trong một chiến trường mà tốc độ phát hiện, phân tích và phản ứng ngày càng quyết định lợi thế, khả năng biến phổ điện từ vô hình thành dữ liệu có thể hành động chính là giá trị đáng chú ý nhất của cảm biến Rydberg.
Từ cảm biến tới cuộc chiến giành ưu thế nhận thức
Cảm biến lượng tử Rydberg chưa phải là loại khí tài có thể làm thay đổi cục diện chiến trường ngay lập tức. Công bố của ARL vẫn là một bước tiến nghiên cứu và trình diễn kỹ thuật, chưa phải một hệ thống được triển khai đại trà ngoài thực địa. Để hoạt động ổn định trên chiến trường, công nghệ này còn phải vượt qua nhiều thách thức về độ bền, nguồn điện, độ ổn định của laser, khả năng chống rung và chi phí sản xuất.
Tuy nhiên, giá trị của công nghệ này không chỉ nằm ở việc nó đã sẵn sàng triển khai hay chưa. Quan trọng hơn, nó phản ánh một xu hướng ngày càng rõ nét trong quân sự hiện đại: cuộc cạnh tranh không còn chỉ xoay quanh hỏa lực, tốc độ hay số lượng vũ khí, mà đang dịch chuyển sang khả năng nhận biết và khai thác thông tin nhanh hơn đối phương.
Trong nhiều thập kỷ, ưu thế quân sự thường được đo bằng số lượng xe tăng, máy bay hay tên lửa mà một quốc gia sở hữu. Nhưng trên chiến trường ngày nay, nơi UAV, radar, vệ tinh, hệ thống liên lạc và tác chiến điện tử liên tục tạo ra lượng dữ liệu khổng lồ, lợi thế ngày càng thuộc về bên có khả năng hiểu môi trường tác chiến nhanh hơn và chính xác hơn.
Đó cũng là lý do Mỹ, Trung Quốc và nhiều cường quốc quân sự đang đầu tư mạnh vào các công nghệ lượng tử, trí tuệ nhân tạo và cảm biến thế hệ mới. Mục tiêu không chỉ là phát hiện nhiều mục tiêu hơn, mà là rút ngắn khoảng thời gian từ thu thập thông tin, phân tích tình huống cho tới đưa ra quyết định tác chiến.
