Usaha China Menghasilkan Teknologi Radar Kuantum Secara Besar-besaran

Radar kuantum mula menjadi tumpuan dalam perbincangan pengeluaran besar-besaran

China mendakwa telah mula menghasilkan secara besar-besaran sebuah peranti yang dinamakan perangkap foton, iaitu pengesan foton tunggal yang dibina untuk mengesan isyarat paling lemah. Dakwaan itu menunjukkan matlamat strategik yang sejak sekian lama menjadi tumpuan makmal pertahanan: radar kuantum yang mungkin dapat mengesan pesawat yang direka untuk mengelak radar tradisional, termasuk jet pejuang halimunan Amerika Syarikat. Pengumuman itu dibuat oleh Pusat Penyelidikan Teknologi Kejuruteraan Maklumat Kuantum di wilayah Anhui dan dilaporkan oleh Science and Technology Daily, penerbitan Kementerian Sains dan Teknologi. Peranti itu digambarkan sebagai mempunyai hingar ultra rendah dan empat saluran, manakala sumber China menyifatkannya sebagai komponen asas utama bagi sistem komunikasi dan penderiaan kuantum pada masa depan.

Taruhannya besar. Pesawat halimunan bergantung pada bentuk badan, salutan dan taktik untuk mengurangkan pantulan radar serta mengelirukan sensor. Jika radar kuantum yang praktikal dapat membezakan isyarat sebenar daripada hingar sekeliling dengan menggunakan sifat kuantum cahaya, pesawat yang bergantung pada ciri kebolehkesanan rendah akan lebih mudah dikesan. Perancang pertahanan di Amerika Syarikat dan negara-negara sekutunya sedang memerhatikan perkembangan ini, memandangkan konsep kuasa udara mereka mengandaikan operasi halimunan yang dirancang rapi boleh menembusi sistem pertahanan udara bersepadu dengan risiko yang boleh diterima. Radar kuantum yang berfungsi akan mengubah pengiraan risiko dalam pertahanan udara, pengawasan maritim dan pengurusan medan pertempuran.

China belum mendedahkan radar yang telah digunakan di lapangan. Negara itu mengetengahkan satu komponen, bukannya sistem lengkap. Namun begitu, pengeluaran besar-besaran pengesan sensitif menunjukkan usaha untuk meningkatkan pengeluaran perkakasan yang sebelum ini hanya terdapat di makmal. Jurang antara peranti makmal dengan radar operasi masih luas dan banyak halangan teknikal belum diatasi. Buat masa ini, isu utamanya bukan keupayaan yang sudah siap, tetapi persaingan untuk mematangkan perkakasan yang diperlukan agar penderiaan kuantum dapat digunakan secara praktikal di luar makmal.

Perkara yang menurut China telah dibangunkan

Media kerajaan China menyifatkan perangkap foton itu sebagai pengesan foton tunggal empat saluran pertama dengan hingar ultra rendah yang mencapai tahap pengeluaran besar-besaran. Seni bina empat saluran membolehkan beberapa isyarat dikesan serentak, sekali gus berpotensi meningkatkan pembentukan imej dan kelajuan. Laporan turut menyatakan bahawa peranti itu mengurangkan hingar dengan ketara dan boleh beroperasi pada suhu yang sangat rendah, sekitar minus 120 darjah Celsius, bagi membantu mengekalkan keadaan kuantum yang rapuh. Satu lagi dakwaan menyebut bahawa pakej pengesan itu jauh lebih kecil berbanding produk pesaing, kira-kira satu per sembilan saiz unit satu saluran yang lazim. Perkakasan yang lebih kecil lebih mudah disepadukan ke dalam sistem sensor mudah alih atau teragih.

Tujuan pengesan foton tunggal mudah diterangkan, tetapi sukar dicapai. Ia perlu merekodkan ketibaan satu foton dengan andal, iaitu unit cahaya diskret yang paling kecil, sambil mengabaikan segala-galanya yang lain. Dalam persekitaran sebenar, foton tunggal itu dikelilingi sinaran haba, cahaya matahari, pantulan, gangguan elektronik dan hingar sensor. Sumber China menekankan bahawa pengeluaran besar-besaran membawa keupayaan berdikari dalam komponen kuantum yang penting, dengan kepentingan dari sudut industri dan strategi.

Science and Technology Daily, yang diselia Kementerian Sains dan Teknologi, menggunakan kiasan yang jelas untuk menerangkan cabaran itu. Akhbar berkenaan menggambarkan ketelitian yang diperlukan untuk mengenal pasti isyarat sebenar dalam persekitaran yang bising.

Menurut Science and Technology Daily, penerbitan Kementerian Sains dan Teknologi China, mengasingkan satu foton boleh disamakan dengan perbuatan yang hampir mustahil. Media itu menjelaskan tahap kepekaan tersebut dengan gambaran yang mengesankan.

seperti membezakan bunyi sebutir pasir yang jatuh ketika ribut petir

Media kerajaan turut menyatakan bahawa pengesan itu akan menyokong rangkaian komunikasi kuantum, pengagihan kunci kuantum untuk sambungan selamat dan pelbagai aplikasi penderiaan selain radar, daripada pengimejan bioperubatan hingga pengukuran jarak laser ke angkasa lepas. Peranti itu diperkenalkan sebagai sebahagian daripada usaha nasional yang lebih luas untuk membangunkan komponen kuantum utama di dalam negara.

Cara radar kuantum berfungsi

Radar kuantum ialah istilah umum bagi kaedah penderiaan yang menggunakan mekanik kuantum untuk meningkatkan keupayaan pengesanan dalam keadaan bising atau berkuasa rendah. Satu pendekatan, yang sering disebut pencahayaan kuantum, bermula dengan menghasilkan pasangan foton terjerat. Keterjeratan menghubungkan sifat kedua-dua foton ketika dihasilkan, lalu membolehkan kedua-duanya berkongsi cap jari yang sama. Radar menghantar satu foton ke arah sasaran dan menyimpan pasangannya dalam memori khas. Jika foton kembali, penerima membandingkan foton itu dengan pasangan yang disimpan. Padanan menunjukkan bahawa foton yang diterima berkemungkinan berasal daripada foton yang dihantar, bukannya hingar latar rawak. Korelasi, bukannya kekuatan isyarat mentah, ialah kuncinya.

Pencahayaan kuantum dalam bahasa mudah

Radar konvensional memancarkan banyak gelombang radio, mengumpulkan gema dan mencari corak yang lebih kuat daripada hingar. Teknologi halimunan berfungsi dengan mengurangkan gema tersebut, selalunya sehingga penerima tidak dapat membezakannya daripada gangguan. Dalam sistem kuantum, radar mencari hubungan khusus antara foton yang dipancarkan dengan mana-mana foton yang kembali. Walaupun pantulan itu sangat lemah, hubungan unik tersebut boleh menjadikannya lebih menonjol. Kaedah ini juga boleh menangkis helah tertentu seperti pemalsuan menggunakan memori frekuensi radio digital, kerana pengacau sukar meniru keadaan kuantum sebenar sesuatu foton.

Mengapa usaha mengganggu radar menjadi lebih sukar

Taktik peperangan elektronik cuba membutakan atau mengelirukan radar dengan menghantar isyarat palsu atau membanjirinya dengan hingar. Fizik keadaan kuantum menawarkan perlindungan kerana pihak lawan tidak dapat menyalin keadaan kuantum dengan sempurna. Ini tidak menjadikan radar kebal, tetapi mengubah keadaan. Cabaran lebih besar bukan ketahanan terhadap gangguan, sebaliknya membina sistem yang dapat menghasilkan, menghantar, menyimpan dan mengukur foton yang betul pada jarak berguna serta dalam tempoh masa yang realistik.

Mengapa jet halimunan mungkin terdedah

Pesawat halimunan seperti F 22 dan F 35 mengurangkan keratan rentas radarnya dengan membentuk badan pesawat supaya memantulkan gelombang ke arah lain, selain menggunakan bahan dan salutan yang menyerap tenaga. Senjatanya juga dibawa di dalam pesawat dan pancaran radarnya dikawal bagi mengehadkan pengesanan. Kaedah ini berkesan terhadap radar tradisional yang bergantung pada kekuatan gema. Radar kuantum yang boleh mengesahkan bahawa foton yang kembali benar-benar berkait dengan foton yang dipancarkan berpotensi mengesan pesawat walaupun pantulannya lemah. Secara teori, ini mengurangkan kelebihan ciri kebolehkesanan rendah. Namun dalam praktik, keberkesanannya bergantung pada jarak, kelajuan pengukuran dan keupayaan menjejak sasaran ketika bergerak serta dalam keadaan penuh gangguan.

Laporan China mencadangkan bahawa pengesan foton tunggal berbilang saluran boleh meningkatkan kadar pengesanan dan pengimejan. Ia juga boleh mengurangkan tenaga yang perlu dipancarkan radar, sekali gus menyukarkan pengesanan radar itu sendiri. Jika peranti itu menggunakan kuasa yang lebih rendah dan berfungsi dengan andal dalam julat suhu lebih luas berbanding pengesan superkonduktor terdahulu, ia mungkin digunakan pada lebih banyak platform, daripada tapak darat tetap hingga belon altitud tinggi atau dron. Harapannya ialah penerima yang lebih sensitif dapat menukarkan aliran foton yang kecil kepada petunjuk pengesanan yang andal.

Masalah fizik sukar yang masih belum diselesaikan

Penderiaan kuantum berfungsi paling baik pada jarak dekat, apabila korelasi yang rapuh masih dapat dikekalkan. Banyak demonstrasi dijalankan di ruang makmal, pada jarak puluhan kaki atau paling jauh beberapa kilometer dalam keadaan ideal. Dakwaan pengesanan sejauh 100 kilometer dalam ujian terdahulu masih diperdebatkan di luar China dan belum menghasilkan sistem yang diketahui umum telah digunakan di lapangan. Analisis China sendiri turut menunjukkan kekangan berterusan yang menghalang penggunaan pantas.

Menghasilkan pasangan foton terjerat pada frekuensi radio, yang boleh bergerak jauh dan menembusi cuaca, jauh lebih sukar berbanding pada panjang gelombang optik atau gelombang mikro. Peranti yang menjana dan mengira foton sering memerlukan penyejukan kriogenik untuk mengekalkan koheren kuantum. Banyak komputer kuantum beroperasi hampir pada suhu sifar mutlak atas sebab tertentu. Menyejukkan sensor pada pesawat atau antena darat berputar ke tahap itu merupakan cabaran kejuruteraan yang besar. Ia menambah berat, keperluan kuasa dan kerumitan penyelenggaraan.

Dekoheren, iaitu kecenderungan keadaan kuantum untuk terlerai apabila berinteraksi dengan persekitaran, mengehadkan jarak dan kebolehpercayaan. Radar perlu mengukur arah dan kelajuan dengan pantas untuk menjejak sasaran. Radar konvensional dapat mengesan anjakan Doppler dengan mudah untuk menentukan halaju. Pendekatan kuantum yang menggunakan foton tunggal mungkin sukar mengumpulkan maklumat halaju dengan cukup pantas tanpa tempoh pengumpulan data yang panjang. Tempoh panjang mungkin sesuai untuk mengimej pemandangan statik, tetapi tidak sepadan dengan tempo pertahanan udara yang memerlukan tindakan dalam beberapa saat. Penyerapan atmosfera, serakan dan sinaran latar menambah lagi hingar.

Organisasi penyelidikan Amerika Syarikat mengakui kelebihan teorinya, namun menyifatkan sistem semasa belum praktikal untuk pengesanan jarak jauh. Penilaian berhati-hati itu kekal sebagai ukuran asas di luar eksperimen makmal. Peralihan daripada ujian makmal terkawal kepada radar operasi yang mengimbas kawasan luas, menggabungkan data daripada banyak saluran dan mengekalkan penentukuran hari demi hari bukanlah perkara mudah.

Perubahan yang mungkin dibawa pengesan baharu

Pengesan foton tunggal yang lebih baik boleh memperkukuh bahagian paling lemah dalam radar kuantum, iaitu penerima. Jika peranti itu mengurangkan hingar, menangkap lebih banyak kejadian foton sebenar dan mengendalikan beberapa saluran serentak, radar boleh mengumpulkan data berguna dengan lebih pantas. Pengimejan yang lebih pantas meningkatkan peluang mengesan sasaran yang bergerak pantas dan menentukan kedudukannya. Pengumpulan berbilang saluran juga membolehkan strategi berbilang panjang gelombang. Sistem boleh menguji sasaran menggunakan frekuensi berbeza dan menggabungkan hasilnya untuk meningkatkan keyakinan.

Huraian China menyatakan bahawa pengesan itu menggunakan kurang kuasa dan memancarkan kurang tenaga apabila digunakan untuk radar, menjadikan radar itu kurang kelihatan kepada sensor musuh. Pancaran tenaga rendah menarik dari segi kebolehmandirian. Ia juga penting bagi platform dengan bekalan kuasa terhad, seperti pesawat tanpa pemandu kecil dan belon stratosfera. Jika saiz kecil pakej pengesan itu dapat disahkan, lebih banyak lokasi boleh menggunakan sensor berkenaan, daripada rangkaian pengesan darat hingga aset rondaan maritim. Jika ditempatkan di banyak nod, rangkaian sensor kuantum sederhana boleh berkongsi petunjuk dan mengesahkan sasaran secara silang.

Daripada kajian makmal kepada pertahanan udara berlapis

Walaupun satu radar kuantum belum bersedia beroperasi sendiri, maklumat pantulannya boleh menyumbang kepada gambaran pengawasan yang lebih luas. China telah melabur dalam radar frekuensi sangat tinggi yang lebih baik untuk mengesan pesawat dengan keratan rentas radar rendah, serta sensor optik di angkasa. Laporan mengenai satelit yang membawa muatan optik beresolusi tinggi menunjukkan satu laluan ke arah pemerhatian kawasan luas secara berterusan. Sensor carian dan penjejakan inframerah, yang digunakan oleh beberapa tentera udara, boleh mengesan tanda haba pesawat tanpa mengira ciri halimunan radarnya. Radar pada tahap foton boleh menyertai gabungan ini sebagai sumber petunjuk. Apabila satu sensor mengesan kemungkinan sasaran, sensor lain boleh menumpukan perhatian dan memperincikan gambaran.

Peperangan udara moden kini merupakan persaingan rangkaian. Pihak yang menggabungkan data daripada banyak sumber, menapis umpan dan menyalurkan maklumat berkualiti untuk penentuan sasaran kepada penembak dengan lebih pantas akan memperoleh kelebihan. Jika China dapat menyepadukan sensor kuantum ke dalam rangkaian pemerintahannya, walaupun pada awalnya liputan jaraknya pendek, ia boleh membuka peluang pengesanan yang sebelum ini tiada. Pesawat halimunan masih dapat mengurangkan tempoh peluang untuk menyerang dan menyukarkan penentuan sasaran, tetapi kejutan akan lebih sukar dicapai.

Persaingan global, bukan usaha sebuah negara sahaja

China bukan satu-satunya negara yang membangunkan radar kuantum dan sensor berkaitan. Universiti dan makmal kerajaan di Amerika Utara dan Eropah telah menjalankan eksperimen pencahayaan kuantum selama lebih sedekad. Kanada membiayai penyelidikan di Universiti Waterloo yang bertujuan menyokong pengawasan Artik. Kesatuan Eropah telah menyalurkan dana besar kepada program teknologi kuantum, sementara syarikat pertahanan meneroka aplikasi penderiaan ketenteraan. Makmal Amerika Syarikat telah mengesahkan asas fizik dan terus mengkaji penderiaan kuantum, sambil memberi tumpuan dalam masa terdekat kepada pendekatan yang sudah terbukti seperti carian dan penjejakan inframerah serta rangkaian frekuensi radio pasif.

India dan negara-negara lain sedang membangunkan pusat penyelidikan kuantum serta meneroka komunikasi dan navigasi kuantum yang boleh menjadi sokongan kepada sistem satelit. Pelaburan ini mencerminkan kepercayaan meluas bahawa teknologi kuantum akan penting bagi keselamatan dan perdagangan, walaupun jangka masanya belum pasti. Persaingan ini berkait rapat dengan pembinaan asas industri dan sains, bukan hanya pembangunan satu peranti. Negara yang mampu menghasilkan secara besar-besaran pengesan hingar rendah, sumber foton stabil dan memori kuantum yang kukuh akan berada pada kedudukan lebih baik untuk mengoperasikan sistem praktikal apabila berlaku kejayaan besar.

Perkara yang perlu diperhatikan seterusnya

Bukti bahawa radar kuantum sedang beralih daripada dakwaan kepada keupayaan sebenar akan datang daripada demonstrasi dalam keadaan operasi. Pencapaian utama termasuk ujian penerbangan pakej pengesan yang disejukkan pada platform udara, pengesanan pada jarak beberapa kilometer dengan penjejakan sasaran bergerak yang konsisten, pengukuran halaju yang disahkan dan penyepaduan ke dalam rangkaian pertahanan udara untuk memberikan petunjuk sasaran. Ujian telus yang disaksikan pakar luar akan mempunyai nilai bukti paling tinggi.

Dari segi perkakasan, perhatikan kemajuan sumber foton frekuensi radio, sistem kriogenik kompak yang boleh digunakan pada platform dan memori kuantum yang mampu mengekalkan koheren cukup lama untuk kegunaan praktikal. Dari segi penempatan, pantau sama ada pengesan sensitif mula dipasang pada radar berasaskan darat, kapal udara, dron atau kapal. Laluan berperingkat berkemungkinan berlaku, dengan sensor kuantum mula memberikan nilai dalam peranan khusus sebelum diperluas kepada liputan lebih luas. Sehingga langkah-langkah itu dilaksanakan, pesawat halimunan akan mengekalkan sebahagian besar kelebihannya, walaupun perancang perlu mengambil kira margin yang semakin mengecil di kawasan yang dipertikaikan.

Kesimpulan

• China mendakwa sedang menghasilkan secara besar-besaran pengesan foton tunggal empat saluran dengan hingar ultra rendah yang digelar perangkap foton
• Peranti itu diperkenalkan sebagai komponen asas utama bagi radar kuantum dan rangkaian komunikasi kuantum
• Radar kuantum menggunakan foton terjerat dan semakan korelasi untuk mengasingkan isyarat sebenar daripada hingar, sekali gus berpotensi mendedahkan pesawat halimunan
• Jarak, penyejukan, dekoheren dan kelajuan pengukuran kekal sebagai halangan utama untuk membangunkan sistem praktikal
• Pengesan yang lebih baik memperkukuh bahagian penerima, dengan potensi kadar pengimejan lebih tinggi dan penggunaan kuasa lebih rendah
• Walaupun mempunyai batasan, sensor kuantum boleh menyokong rangkaian pertahanan udara berlapis bersama radar VHF, optik angkasa dan sistem inframerah
• Beberapa negara melabur dalam penderiaan kuantum, menjadikannya persaingan global dan bukannya kejayaan sebuah negara sahaja
• Kemajuan yang boleh dipercayai akan terlihat melalui ujian lapangan dalam keadaan realistik, penyepaduan pada platform dan pengesahan bebas