Công nghệ lượng tử sẽ thay đổi diện mạo chiến tranh?

Trong Thế chiến II, tàu ngầm Mỹ ở Thái Bình Dương đã chứng minh hiệu quả vượt trội khi lẩn trốn lực lượng tuần tra đối phương, thực hiện các cuộc tấn công chớp nhoáng vào mục tiêu dễ tổn thương và né tránh đòn trả đũa. Khả năng tàng hình của chúng góp phần phá hủy các tuyến tiếp tế và hạm đội của Hải quân Đế quốc Nhật Bản.

Từ sonar thụ động đến cảm biến lượng tử

Trong thế kỷ 20, công nghệ phát hiện tàu ngầm đã có những bước tiến lớn, từ sonar thụ động và chủ động, radar quét bề mặt cho đến máy dò từ tính. Thế nhưng, thay vì trở nên dễ bị phát hiện hơn, tàu ngầm ngày càng khó bị phát hiện nhờ thiết kế, vật liệu và nhiều công nghệ khác.

Dù vậy, một trở ngại lớn vẫn tồn tại: cứ sau vài tuần, tàu ngầm phải nổi lên gần bề mặt để hiệu chỉnh hệ thống điều hướng. Sóng vô tuyến từ vệ tinh định vị toàn cầu GPS không thể xuyên qua nước, buộc tàu ngầm phải dựa vào hệ thống điều hướng quán tính (còn gọi là "đoán chết") để xác định vị trí, hướng đi và vận tốc. Sai số nhỏ trong cảm biến quán tính như gia tốc kế và con quay hồi chuyển tích lũy dần theo thời gian, dẫn đến độ lệch ngày càng lớn trong tính toán vị trí, vận tốc và hướng của phương tiện, khiến việc hiệu chỉnh GPS định kỳ là bắt buộc.

Khi tàu ngầm nổi lên, nó không chỉ mất khả năng tàng hình mà còn khiến việc này trở nên vô nghĩa nếu kẻ địch phá hủy hoặc gây nhiễu tín hiệu vệ tinh. Do đó, Hải quân Mỹ đang tìm kiếm một giải pháp dựa trên vật lý lượng tử, giúp tàu ngầm định vị chính xác mà không cần lộ diện, đồng thời nâng cao lợi thế trong chiến tranh chống tàu ngầm và thu thập tình báo. Nếu thành công, công nghệ này sẽ cải thiện cảm biến và hệ thống định vị, mở rộng phạm vi phát hiện và tăng cường khả năng tính toán.

Lượng tử (quantum) là một khái niệm trong vật lý, chỉ các đơn vị nhỏ nhất không thể chia nhỏ hơn nữa của một đại lượng vật lý. Khái niệm này là nền tảng của vật lý lượng tử, nghiên cứu hành vi của vật chất và năng lượng ở quy mô nguyên tử và hạ nguyên tử.

Tuy nhiên, theo tạp chí Mỹ Pop Mech, thách thức lớn nhất đối với các nhà khoa học Hải quân Mỹ là triển khai cảm biến lượng tử trên tàu ngầm trước Hải quân Trung Quốc. “Nếu người Trung Quốc đi trước về lĩnh vực này, họ có thể phát triển công nghệ do thám tiên tiến, phát hiện tàu ngầm Mỹ từ xa trước khi chúng kịp nhận ra sự hiện diện của đối phương”, chuyên gia quân sự Sebatian Roblin viết trên Pop Mech.

Hải quân Mỹ hiện sở hữu 14 tàu ngầm hạt nhân chiến lược lớp Ohio, được thiết kế để mang và phóng tên lửa đạn đạo liên lục địa. Mỗi tàu ngầm lớp Ohio có chi phí đóng mới khoảng 7 tỷ USD. Ngoài ra, Hải quân Mỹ còn có 58 tàu ngầm tấn công hạt nhân lớp Los Angeles và Virginia. Chi phí xây dựng mỗi tàu ngầm lớp Los Angeles khoảng 1 tỷ USD, với chi phí bảo dưỡng hàng năm khoảng 50 triệu USD.

Hiện tại, tàu ngầm ẩn mình nhờ sự che chắn của nước biển và các biện pháp giảm âm thanh hay tín hiệu điện từ do cấu trúc kim loại gây ra. Nhưng nếu công nghệ lượng tử trở nên phổ biến, những phương pháp này có thể không còn đủ để bảo vệ tàu ngầm và rất có thể những khí tài trị giá hàng tỷ USD này bỗng trở nên vô dụng trước các đối thủ.

Thiết bị định vị thủy âm (sonar) và cảm biến điện từ hiện tại chỉ có thể phát hiện tàu ngầm ở khoảng cách tương đối gần, nhưng công nghệ lượng tử có thể mở rộng đáng kể phạm vi này, theo ông Roblin.

Công nghệ lượng tử cho phép các hạt vật chất ở xa có thể liên kết trạng thái với nhau, giúp một số cảm biến lượng tử đọc dữ liệu từ một hạt gần mà vẫn thu được thông tin về một hạt ở khoảng cách xa. Trong khi đó, công nghệ chồng chập lượng tử - khả năng duy trì nhiều trạng thái đồng thời - có thể tăng cường sức mạnh tính toán, cho phép các thiết bị xử lý dữ liệu cảm biến vượt trội so với máy tính cổ điển.

Hiện nay, máy đo trọng lực và máy đo từ trường có thể phát hiện tàu ngầm trong phạm vi hàng trăm mét. Nếu được kết hợp với công nghệ lượng tử, phạm vi này có thể mở rộng lên đến nhiều km.

Máy đo trọng lực lượng tử đã được sử dụng trong nghiên cứu núi lửa và băng tan, dựa trên nguyên lý đo sự thay đổi cực nhỏ của trường hấp dẫn bằng cách theo dõi cách các nguyên tử siêu lạnh rơi tự do và chồng chập trạng thái. Khi ứng dụng vào lĩnh vực tàu ngầm, máy đo từ lượng tử có thể "đọc" sự thay đổi tinh vi của từ trường Trái Đất để xác định vị trí chính xác, do đó tàu không cần nổi lên hiệu chỉnh GPS.

Bên cạnh đó, cảm biến lượng tử có thể giúp tàu ngầm âm thầm phát hiện đối phương, không cần sonar chủ động vốn gây tiếng ồn. Công nghệ này cũng có thể cải thiện khả năng thu nhận tín hiệu liên lạc ở độ sâu lớn hơn và hỗ trợ phân tích tín hiệu đối phương với độ chính xác cao hơn, nhờ khả năng khảo sát băng thông rộng hơn so với công nghệ truyền thống.

Ngoài ra, nếu được thu nhỏ đủ mức, thiết bị định vị lượng tử có thể cho phép vũ khí tầm xa tấn công chính xác ngay cả khi bị mất tín hiệu GPS, tạo ra lợi thế chiến lược quan trọng trong tác chiến hiện đại.

Hiện nay, các máy bay tuần tra săn ngầm của Mỹ sử dụng máy đo từ trường thông thường để phát hiện tàu ngầm, nhưng phạm vi hiệu quả chỉ chưa tới 1.000 m. Trong khi đó, thiết bị SQUID (Superconducting Quantum Interference Device - thiết bị giao thoa lượng tử siêu dẫn) được nói là có khả năng nâng phạm vi phát hiện lên 6 km, giúp mở rộng vùng tìm kiếm lên đến 100 lần so với công nghệ hiện tại.

Trung Quốc đang chiếm ưu thế

Không chỉ giúp phát hiện tàu ngầm tốt hơn, công nghệ lượng tử còn có thể làm thay đổi bản chất chiến tranh dưới biển. Hiện nay, tàu ngầm không người lái cỡ lớn XLUUV (Extra-Large Unmanned Underwater Vehicle) đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi. Nhờ vào sự phát triển của máy tính lượng tử, XLUUV có thể thực hiện nhiều nhiệm vụ chiến đấu phức tạp với chi phí thấp hơn đáng kể so với tàu ngầm có người lái. Đồng thời, nếu công nghệ cảm biến lượng tử được cải thiện, tàu mặt nước cũng có thể phát hiện tàu ngầm dễ dàng hơn, từ đó làm suy giảm đáng kể khả năng tiếp cận mục tiêu của chúng.

Trong cuộc chạy đua vũ trang công nghệ lượng tử dưới nước, Trung Quốc đang được đánh giá là quốc gia dẫn đầu với ngân sách đầu tư hơn 15 tỷ USD, so với 3,8 tỷ USD của Mỹ. Trung Quốc đã ứng dụng công nghệ lượng tử vào quân sự thông qua nhiều lĩnh vực quan trọng: Phát triển các hệ thống truyền thông lượng tử an toàn, bao gồm mạng truyền thông lượng tử qua vệ tinh, giúp bảo vệ thông tin quân sự khỏi tấn công mạng nhờ tính bảo mật cao; nghiên cứu hệ thống định vị chính xác sử dụng công nghệ lượng tử, vượt qua các hạn chế của GPS truyền thống, hỗ trợ quân đội trong điều kiện môi trường tác chiến bị can thiệp; phát triển máy tính lượng tử để giải quyết các bài toán phức tạp trong quân sự, như mô phỏng vũ khí và chiến lược, giúp tăng cường khả năng tính toán và phân tích chiến thuật; phát triển các cảm biến lượng tử giúp giám sát và phát hiện mục tiêu trong môi trường tác chiến, cải thiện khả năng giám sát và phát hiện kẻ thù…

Thấy được tiềm năng to lớn của công nghệ lượng tử, Mỹ và các đồng minh cũng đang đầu tư mạnh mẽ vào lĩnh vực này. Pháp đã lên kế hoạch triển khai máy đo trọng lực lượng tử từ năm 2024, nhằm cải thiện khả năng phát hiện tàu ngầm.

Là một cường quốc quân sự, Nga đương nhiên không khoanh tay ngồi nhìn. Họ đã đầu tư mạnh vào công nghệ lượng tử với mục tiêu ứng dụng trong quân sự, nhằm nâng cao năng lực quốc phòng. Năm 2019, Chính phủ Nga công bố kế hoạch đầu tư 650 triệu USD nghiên cứu và ứng dụng công nghệ lượng tử trong 5 năm, là một phần của chương trình phát triển công nghệ kỹ thuật số trị giá 3,35 tỷ USD. Công nghệ này có thể cải thiện khả năng phát hiện, truyền thông và điều khiển vũ khí, nâng cao năng lực phòng thủ và tấn công của quân đội Nga.

Nga cũng thúc đẩy hợp tác quốc tế, đặc biệt với Trung Quốc, trong lĩnh vực này. Tổng thống Vladimir Putin đã đề xuất chuyển đổi Nga thành nền kinh tế dựa trên dữ liệu vào năm 2030, với máy tính lượng tử và các công nghệ liên quan đóng vai trò quan trọng trong cơ sở hạ tầng kỹ thuật số, theo Quantum Insider.

Nga đã đạt được thành tựu đáng kể trong nghiên cứu công nghệ lượng tử, như thử nghiệm thành công động cơ lượng tử mạnh gấp nhiều lần động cơ tên lửa thông thường. Thành tựu này mở ra cơ hội phát triển phương tiện vận chuyển và vũ khí mới với hiệu suất vượt trội.

Dù có tiềm năng lớn, các công nghệ lượng tử trong lĩnh vực quân sự vẫn chưa thực sự hoàn thiện. Chính điều này khiến Mỹ tỏ ra thận trọng hơn trong việc phân bổ ngân sách, tránh đầu tư vào các công nghệ chưa chắc chắn. Trong trung hạn, cảm biến lượng tử có thể khiến tàu ngầm dễ bị phát hiện hơn, nhưng người Mỹ vẫn chưa chắc chắn liệu đây sẽ là một thay đổi mang tính chiến lược lâu dài hay chỉ là một bước tiến tạm thời trong cuộc đua công nghệ. Nhưng nếu đánh giá sai và tính toán sai trong cuộc đua này, Mỹ có thể phải trả giá đắt.

Giải pháp thay thế GPS

Không chỉ có thể làm thay đổi diện mạo, cách thức tiến hành các cuộc chiến dưới biển, công nghệ lượng tử có khả năng biến công nghệ GPS trở nên lạc hậu, tác động trực tiếp lên hoạt động tác chiến dựa trên các hệ thống định vị toàn cầu hiện có.

GPS đã cách mạng hóa ngành hàng không và hàng hải, nhưng cũng công nghệ này dễ bị gây nhiễu hoặc giả mạo tín hiệu. Cuộc chiến Nga - Ukraine là minh chứng rõ ràng, khi cả hai bên đều sử dụng các thiết bị gây nhiễu để làm vũ khí dẫn đường và máy bay không người lái (UAV) mất phương hướng. Ngoài ra, các máy bay dân dụng cũng thường xuyên gặp sự cố do tín hiệu GPS bị gián đoạn bởi các hệ thống gây nhiễu trong khu vực xung đột.

Để đối phó với vấn đề này, công ty SandboxAQ (Mỹ) đã phát triển hệ thống dẫn đường AQNav, một giải pháp thay thế GPS dựa trên từ trường Trái đất. Hệ thống này khai thác sự biến đổi tinh tế của từ trường để xác định vị trí, thay vì dựa vào vệ tinh. AQNav sử dụng cảm biến lượng tử để đo các thay đổi nguyên tử, kết hợp với trí tuệ nhân tạo để phân tích dữ liệu từ trường và cung cấp khả năng dẫn đường ngay cả khi tín hiệu GPS bị vô hiệu hóa hoặc trong điều kiện môi trường khắc nghiệt.

Năm 2023, Không quân Mỹ đã thử nghiệm hệ thống AQNav trên máy bay vận tải quân sự C-17A, với kết quả khả quan. Công nghệ này đã được kiểm tra trên 4 loại máy bay, với tổng cộng hơn 200 giờ bay, cho thấy tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực quân sự. Một trong những lợi thế lớn của AQNav là khả năng tích hợp dễ dàng nhờ thiết kế module AgilePod, một hệ thống cảm biến linh hoạt do các nhà khoa học thuộc Không quân Mỹ phát triển, theo Pop Mech. Hệ thống có thể được triển khai nhanh chóng trên nhiều nền tảng, từ máy bay chiến đấu, UAV cho đến tàu chiến và phương tiện mặt đất.

Công nghệ lượng tử không chỉ tác động đến chiến tranh hải quân mà còn có tiềm năng thay đổi cách con người điều hướng trên không và trên bộ. Nếu tiếp tục phát triển thành công, các hệ thống dẫn đường lượng tử như AQNav có thể giúp quân đội duy trì khả năng tác chiến ngay cả trong môi trường bị gây nhiễu mạnh, đồng thời mang lại lợi thế chiến lược quan trọng trong các cuộc xung đột tương lai.

AQNav là hệ thống định vị có thể được triển khai trên nhiều loại phương tiện bay, từ các máy bay phản lực lớn như B-52 đến các máy bay không người lái chiến đấu MQ-9. Hệ thống này có thể được lắp đặt trong một hộp vuông mỗi cạnh 60 cm hoặc gắn vào hai khe cắm trên giá đỡ. Ngoài ra, SandboxAQ đang hướng tới việc ứng dụng AQNav trên các máy bay chở khách dân dụng lớn trong tương lai, hợp tác với các trung tâm nghiên cứu của Boeing và Airbus để phát triển công nghệ định vị từ tính.