TiaSang
Thứ 5, Ngày 16 tháng 7 năm 2020
Đổi mới sáng tạo

Radar lượng tử: Có thể thay đổi cách nghĩ về an ninh quốc gia

26/05/2020 07:15 -

Vận dụng nguyên lý của rối lượng tử (quantum entanglement) giữa hai photon được tạo ra như một cặp “song sinh” có tương quan mật thiết, không phụ thuộc khoảng cách, việc hình thành và áp dụng radar lượng tử có thể sẽ làm thay đổi cách chúng ta nghĩ về an ninh quốc gia.


Máy bay tàng hình ở Bắc Cực Canada sẽ không thể “giấu mình” với hệ thống radar lượng tử.

Radar (Radio Detection and Ranging) là thiết bị để dò tìm và định vị vật thể bằng sóng vô tuyến, được sử dụng rộng rãi trong hàng hải, hàng không và quân sự. Trạm radar phát sóng tập trung thành một luồng hẹp quyét vào không gian. Khi sóng radar gặp bất kỳ mục tiêu nào thì nó bị phản xạ trở lại. Phân tích các tín hiệu phản xạ có thể tính được khoảng cách từ trạm phát đến mục tiêu. Vì nhiều lý do, để tránh việc bị phát hiện, người ta có thể làm giảm độ phản xạ bằng cách thiết kế các bề mặt của vật thể với độ cong thích hợp như bề mặt của các máy bay tàng hình với các hình dạng kỳ lạ. Để giảm hơn nữa tín hiệu phản xạ, các máy bay tàng hình còn được gắn thêm các mảnh nhiễu xạ, có tính phản xạ cao nhưng không trực tiếp phản xạ trở lại nguồn. Các radar phải phân biệt được tín hiệu phản xạ từ mục tiêu thật với các tín hiệu nhiễu từ nội nguồn của sóng hoặc từ môi trường. Khả năng phân biệt được đánh giá bởi tỉ số tín hiệu trên nhiễu (signal-to-noise ratio). Nếu tỉ số này quá thấp thì hoạt động của radar là không hiệu quả. 

Radar lượng tử được coi là giải pháp hữu dụng để làm những thứ khó có thể khắc phục ở radar thông thường. Radar lượng tử sử dụng một kỹ thuật cảm biến gọi là chiếu sáng lượng tử (quantum illumination) để phát hiện và nhận thông tin về vật thể. Cốt lõi của nó là vận dụng nguyên lý lượng tử của sự rối lượng tử (quantum entanglement) giữa hai photon được tạo ra như một cặp “song sinh” có tương quan mật thiết với nhau, không phụ thuộc khoảng cách giữa chúng.

Radar lượng tử có thể phát hiện được máy bay tàng hình

Theo lời của Jonathan Baugh, một nhà nghiên cứu tại Viện Tính toán Lượng tử và là giáo sư Khoa Hóa học, trường Đại học Waterloo “Ở Bắc Cực, các hiện tượng tự nhiên xảy ra trong không gian như bão địa từ (geomagnetic storms) và lửa Mặt trời (solar flares) giao thoa với các hoạt động thu/phát tín hiệu khiến việc xác định hiệu quả các vật thể trở nên rất khó khăn đối với các radar cổ điển truyền thống (conventional classical radar). Ông nói thêm: “Bằng cách chuyển từ radar cổ điển truyền thống sang radar lượng tử (quantum radar), có thể hy vọng không chỉ cắt được nhiễu do các hiện tượng tự nhiên nêu trên gây ra mà còn xác định được, với độ chính xác vô song, cả các vật thể vốn được thiết kế một cách đặc biệt nhằm tránh bị phát hiện như các máy bay hoặc tên lửa tàng hình chẳng hạn.

Máy bay tàng hình dựa vào thiết kế thân và cách sơn đặc biệt để hấp thụ và làm chệch hướng sóng vô tuyến, khiến chúng trở nên vô hình (invisible) trước radar cổ điển truyền thống. Các kỹ thuật gây nhiễu điện tử cũng được sử dụng để che khuất tín hiệu bằng các nhiễu nhân tạo. Với radar lượng tử, theo lý thuyết, những chiếc máy bay tàng hình này sẽ không chỉ là bị phát hiện mà còn không hề biết rằng chúng đã bị phát hiện.

Một nguyên mẫu radar lượng tử có khả năng phát hiện các vật thể vô hình đối với các hệ thống radar cổ điển thông thường do một nhóm nghiên cứu quốc tế phát triển. Loại radar mới này là một hệ thống lai sử dụng sự rối lượng tử giữa các chùm vi sóng và các chùm quang học để phát hiện các vật thể có độ phản xạ thấp như tế bào ung thư hoặc máy bay tàng hình. Do radar lượng tử hoạt động ở mức năng lượng thấp hơn nhiều so với các hệ thống radar cổ điển thông thường, nó có tiềm năng to lớn trong tương lai lâu dài cho một loạt các ứng dụng trong y sinh học, kể cả quét cộng hưởng từ hạt nhân không xâm lấn (non-invasive Nuclear Magnetic Resonance scan).

Chiếu sáng lượng tử vi sóng

Nhóm nghiên cứu do tiến sĩ Stefano Pirandola (thuộc Khoa Khoa học Máy tính của Đại học và Trung tâm Công nghệ Lượng tử York) dẫn đầu, phát hiện ra rằng một bộ chuyển đổi đặc biệt - một thiết bị hai hốc kết hợp chùm tia vi sóng với chùm tia quang học bằng bộ dao động cơ học ở kích thước nano mét - là chìa khóa cho loại thiết bị mới này. Thiết bị có thể tạo ra sự rối quang học-vi sóng (trong quá trình phát tín hiệu) hoặc chuyển đổi tín hiệu vi sóng thành tín hiệu quang học (trong quá trình thu tín hiệu phản xạ từ vật thể). Nghiên cứu về phương pháp chiếu sáng lượng tử vi sóng (microwave quantum illumination) này đã được công bố trên tạp chí Vật lý uy tín hàng đầu [S. Barzanjeh, S. Guha, C. Weedbrook, D. Vitali, J. H. Shapiro, and S. Pirandola, Physical Review Letters 114, 080503 (2015): “Microwave Quantum Illumination”].

Một ăng ten radar phát ra một chùm vi sóng để quét một vùng không gian. Bất kỳ đối tượng mục tiêu nào cũng sẽ phản xạ tín hiệu vi sóng đến nguồn, nhưng tín hiệu từ các đối tượng có độ phản xạ thấp bị “ngập chìm” trong các tín hiệu phát sinh từ môi trường có nhiễu nền cao rất khó phân biệt khi sử dụng các hệ thống radar cổ điển thông thường. Ngược lại, radar lượng tử hoạt động hiệu quả hơn và khai thác sự rối lượng tử để tăng độ nhạy nhằm phát hiện ra các tín hiệu phản xạ nhỏ truyền qua các vùng không gian có nhiều nhiễu. Trong nhiều tình huống nhất định, tỷ số tín hiệu trên nhiễu của radar lượng tử được cải thiện đáng kể do sử dụng các nguồn rối lượng tử.

Theo tiến sĩ Pirandola, các radar lượng tử sẽ có hiệu suất vượt trội, đặc biệt là ở chế độ năng lượng thấp (số photon tín hiệu ít) khi các hiện tượng xâm lấn không xảy ra “Đặc tính không xâm lấn như vậy đặc biệt quan trọng đối với các ứng dụng y sinh tầm ngắn. Về lâu dài, radar lượng tử có thể được vận hành ở khoảng cách ngắn để phát hiện sự hiện diện của khuyết tật trong các mẫu sinh học hoặc mô người một cách hoàn toàn không xâm lấn, do chỉ sử dụng một số lượng nhỏ các photon trong trạng thái rối lượng tử. Phương pháp của chúng tôi có thể được sử dụng để phát triển không xâm lấn phổ cộng hưởng từ hạt nhân của protein dễ vỡ và axit nucleic. Trong y học, những kỹ thuật này có khả năng được áp dụng cho chụp ảnh cộng hưởng từ, với mục đích giảm liều bức xạ trong điều trị cho bệnh nhân.”

Gần đây, các nhà vật lý tại Viện KH&CN Áo đã phát minh ra một nguyên mẫu radar lượng tử mới sử dụng rối lượng tử và đầu thu kỹ thuật số như một phương pháp hiệu quả để phát hiện vật thể. Sự tích hợp thành công cơ học lượng tử như này vào các thiết bị có thể tác động đáng kể đến các ngành công nghiệp y sinh và an ninh. 

Các nhà khoa học thuộc nhóm nghiên cứu của giáo sư Fink tại Viện KH&CN Áo, cùng với các cộng tác viên là Pirandola từ Viện Công nghệ Massachusetts (Mỹ) và Đại học York (Anh) và Vitali từ Đại học Camerino (Ý) đã đề xuất một loại công nghệ phát hiện (detection technology) mới gọi là chiếu sáng lượng tử vi sóng kết hợp với đầu thu kỹ thuật số (digital receiver). Nghiên cứu này vừa mới được công bố trên tạp chí Science Advances [S. Barzanjeh, S. Pirandola, D. Vitali and J. M. Fink, Science Advances 6, eabb0451 (2020): “Microwave quantum illumination using a digital receiver”]. Công nghệ chiếu sáng lượng tử vi sóng sử dụng các photon vi sóng rối (entangled microwave photons) như một phương pháp để phát hiện vật thể. Thiết bị radar lượng tử mới này có thể phát hiện các vật thể trong môi trường nhiệt có nhiễu, trong khi các hệ thống radar cổ điển thông thường không thể. Công nghệ này hứa hẹn các ứng dụng tiềm năng cho máy quét hình ảnh và bảo mật y sinh với năng lượng cực thấp.

Nguyên tắc hoạt động của thiết bị radar lượng tử dựa trên công nghệ chiếu sáng lượng tử vi sóng có thể mô tả như sau. Thay cho việc sử dụng các vi sóng thông thường, các nhà nghiên cứu làm rối hai nhóm photon, một nhóm được gọi là nhóm các photon tín hiệu (signal photons) và nhóm kia là nhóm các photon idler. Các photon tín hiệu được bắn về phía có đối tượng muốn phát hiện, còn các photon idler thì được giữ lại và sau đó được đo tại chỗ trong điều kiện cách ly tương đối để không bị ảnh hưởng bởi giao thoa và nhiễu của môi trường. Khi các photon tín hiệu bị phản xạ trở lại, độ rối lượng tử giữa hai nhóm photon bị giảm đáng kể, nhưng một lượng nhỏ của sự tương quan lượng tử vẫn còn, tạo ra một chứng cứ cho sự tồn tại hoặc không tồn tại của đối tượng mục tiêu, bất chấp sự hiện diện của các loại nhiễu trong môi trường.

“Những gì chúng tôi đã thực hiện là một bằng chứng về khái niệm của radar lượng tử vi sóng”, tác giả chính của phát minh, Shabir Barzanjeh, hiện đang là trợ lý giáo sư tại Đại học Calgary, người trước đây đã có nghiên cứu giúp đưa ra khái niệm lý thuyết về công nghệ radar lượng tử, cho biết. Ông cũng nói thêm: “Sử dụng rối lượng tử được tạo ra ở nhiệt độ rất thấp, chỉ khoảng một vài phần nghìn độ trên độ không tuyệt đối (-273,14° C), chúng tôi đã có thể phát hiện các vật thể có dộ phản xạ thấp ở nhiệt độ phòng.”

Radar lượng tử có thể hoạt động vượt trội so với radar cổ điển

Mặc dù sự rối lượng tử rất dễ bị phá vỡ do tương tác với môi trường tự nhiên trong quá trình phát và thu tín hiệu, radar lượng tử có một vài lợi thế so với radar cổ điển thông thường. Ví dụ, ở mức năng lượng thấp, các hệ thống radar cổ điển thông thường thường có độ nhạy thấp vì chúng khó phân biệt giữa bức xạ phản xạ từ vật thể với bức xạ nền xảy ra một cách tự nhiên do nhiễu của môi trường. Chiếu sáng lượng tử là một giải pháp cho vấn đề này vì sự tương quan giữa các photon tín hiệu và các photon idler (do chúng đã được tạo ra trong các trạng thái rối lượng tử) giúp phân biệt một cách hiệu quả hơn giữa các photon tín hiệu (nhận được do phản xạ từ vật thể quan tâm) với các photon phát sinh bởi nhiễu của môi trường. Trong quá trình đo, nếu thấy có mối tương quan với các photon idler thi đó chính là các photon tín hiệu (do các photon tín hiệu đã bị làm rối với các photon idler từ trước), còn nếu không thấy có mối tương quan nào thi đó là các photon nhiễu (do các photon nhiễu hoàn toàn không bị rối với các photon idler). Vì vậy, tỉ số tín hiệu trên nhiễu của radar lượng tử sẽ lớn hơn nhiều so với radar cổ điển.


Minh họa của một nguyên mẫu radar lượng tử.

Barzanjeh nói: “Thông điệp chính từ nghiên cứu của chúng tôi là radar lượng tử dựa trên chiếu sáng vi sóng lượng tử không chỉ có thể trên lý thuyết, mà còn có thể trên thực tế. Trong cùng các điều kiện như nhau, chúng tôi thấy rằng ngay cả khi số lượng photon tín hiệu rất thấp, khả năng phát hiện vật thể của radar lượng tử vẫn có thể vượt trội hơn so với radar cổ điển thông thường."
Xuyên suốt lịch sử, khoa học cơ bản là một trong những động lực chính của đổi mới sáng tạo, chuyển đổi mô hình và đột phá công nghệ. Mặc dù vẫn còn ở mức độ khái niệm, nghiên cứu của nhóm đã chứng minh một cách hiệu quả về một phương pháp mới dựa trên hiện tượng rối lượng tử để phát hiện vật thể. Phương pháp lượng tử này, trong một số trường hợp, có thể hiệu quả hơn các phương pháp cổ điển.

Barzanjeh cho biết: “Về mặt lịch sử, các bằng chứng về khái niệm, như bằng chứng mà chúng tôi đã chứng minh ở đây, thường được coi như cột mốc quan trọng đối với những tiến bộ về công nghệ trong tương lai. Thật thú vị khi thấy những ứng dụng của nghiên cứu này trong tương lai, đặc biệt đối với các cảm biến vi sóng tầm ngắn”. 

Theo giáo sư Fink, trưởng nhóm nghiên cứu, “Kết quả khoa học này chỉ có thể có được nhờ việc hợp tác giữa các nhà vật lý lý thuyết và các nhà vật lý thực nghiệm, những người được thúc đẩy bởi sự tò mò về cách cơ học lượng tử có thể giúp đẩy xa hơn các giới hạn cơ bản của cảm biến. Nhưng để thấy rõ tính ưu việt trong các tình huống thực tế, chúng tôi cũng sẽ cần đến sự giúp đỡ của các kỹ sư điện có kinh nghiệm, và vẫn còn rất nhiều việc phải làm để kết quả nghiên cứu của chúng tôi có thể áp dụng một cách thực thụ trong việc phát hiện vật thể trong môi trường có nhiễu”.

Chuyển radar lượng tử từ phòng thí nghiệm ra hiện trường

Để radar lượng tử có thể hoạt động hiệu quả, trước tiên cần có một nguồn phát ra  thật nhanh các photon rối với nhau theo yêu cầu. “Mục tiêu cho dự án của chúng tôi là tạo ra một nguồn phát các photon rối dồi dào và có thể nhận được ngay chỉ bằng cách nhấn nút”, Baugh nói.

Hiện nay, phương pháp chiếu sáng lượng tử chỉ mới được khám phá trong phòng thí nghiệm. Chính phủ Canada, theo chương trình KH&CN cho tất cả các lĩnh vực nhận thức tình huống của Bộ Quốc phòng, đang đầu tư 2,7 triệu USD để đẩy nhanh việc sử dụng nó trong lĩnh vực radar lượng tử.

Các trạm radar của Hệ thống Cảnh báo Bắc 54 (The 54 North Warning System), có trụ sở tại Bắc Cực và Bộ chỉ huy phòng thủ hàng không vũ trụ Bắc Mỹ điều hành, đang sắp hết hạn sử dụng và có thể cần phải được thay thế vào đầu năm 2025.

“Dự án này sẽ cho phép chúng tôi phát triển công nghệ để giúp chuyển radar lượng tử từ phòng thí nghiệm ra hiện trường. Nó có thể thay đổi cách chúng ta nghĩ về an ninh quốc gia,” Baugh nói.□

Nguyễn Bá Ân tổng hợp
Nguồn: 
https://phys.org/news/2015-02-big-future-quantum-radar.html 
https://phys.org/news/2018-04-quantum-radar-expose-stealth-aircraft.html 
https://phys.org/news/2020-05-scientists-quantum-radar-prototype.html 

Tags: