Pagsisikap ng China na Paramihin ang Produksyon ng Teknolohiya ng Quantum Radar

Napag-uusapan na ang malawakang produksyon ng quantum radar

Sinabi ng China na sinimulan na nito ang malawakang produksyon ng isang aparatong tinatawag nitong photon catcher, isang single-photon detector na ginawa upang matukoy kahit ang pinakamahinang posibleng mga signal. Tinutukoy ng pahayag na ito ang isang estratehikong layunin na matagal nang pinag-uukulan ng pansin ng mga laboratoryo sa depensa: ang quantum radar na posibleng makatukoy ng mga eroplanong idinisenyo upang makaiwas sa tradisyonal na radar, kabilang ang mga stealth fighter ng U.S. Nagmula ang anunsyo sa Quantum Information Engineering Technology Research Center sa lalawigan ng Anhui, at iniulat ito ng Science and Technology Daily, isang publikasyon ng Ministry of Science and Technology. Inilarawan ang aparato bilang napakababa ng ingay at may apat na channel; itinuturing naman ito ng mga sangguniang Tsino na pangunahing bahagi ng mga sistema ng quantum communication at sensing sa hinaharap.

Malaki ang nakataya. Umaasa ang mga stealth aircraft sa hugis, mga coating, at taktika upang paliitin ang mga balik na signal ng radar at lituhin ang mga sensor. Kung kayang ihiwalay ng isang praktikal na quantum radar ang tunay na signal sa ingay sa paligid sa pamamagitan ng paggamit sa mga katangiang quantum ng liwanag, mas madaling matutukoy ang mga eroplanong umaasa sa mababang kakayahang makita. Binabantayan ito ng mga tagaplano ng depensa sa United States at mga kaalyadong bansa, dahil nakabatay ang kanilang mga konsepto sa kapangyarihang panghimpapawid sa palagay na kayang makalusot ng maingat na planadong mga operasyong stealth sa pinagsama-samang mga sistema ng depensa sa himpapawid nang may katanggap-tanggap na panganib. Babaguhin ng gumaganang quantum radar ang pagtaya sa panganib sa depensa sa himpapawid, pagmamatyag sa karagatan, at pamamahala sa larangan ng labanan.

Wala pang inilalantad na radar na aktuwal nang ginagamit ang China. Isang bahagi ang itinatampok ng bansa, hindi isang kumpletong sistema. Gayunman, ang malawakang produksyon ng isang sensitibong detector ay nagpapahiwatig ng pagsisikap na palakihin ang produksyon ng hardware na dating nasa laboratoryo lamang. Malaki ang agwat sa pagitan ng aparatong panglaboratoryo at isang operasyonal na radar, at marami pang teknikal na balakid. Sa ngayon, hindi gaanong tungkol sa isang ganap nang kakayahan ang balita kundi tungkol sa paligsahang paunlarin ang hardware na kailangan upang magamit ang quantum sensing sa labas ng laboratoryo.

Ayon sa China, ano ang nagawa nito

Inilarawan ng media ng estado ng China ang photon catcher bilang unang napakababang-ingay na single-photon detector na may apat na channel na umabot sa malawakang produksyon. Pinahihintulutan ng arkitekturang may apat na channel ang sabay-sabay na pagtukoy sa ilang signal, na makapagpapahusay sa pagbuo ng imahe at magpapabilis nito. Ayon pa sa mga ulat, malaki ang ibinabawas ng aparato sa ingay at kaya nitong gumana sa napakababang temperatura, hanggang humigit-kumulang minus 120 degrees Celsius, na tumutulong mapanatili ang marurupok na quantum state. Isa pang pahayag: mas maliit nang malaki ang pakete ng detector kaysa sa mga katunggaling produkto, humigit-kumulang isang-siyam ng laki ng karaniwang mga yunit na iisa ang channel. Mas madaling isama ang mas maliit na hardware sa mga mobile o nakakalat na sistema ng sensor.

Madaling ilarawan ngunit mahirap maisakatuparan ang layunin ng single-photon detector. Kailangan nitong mapagkakatiwalaang maitala ang pagdating ng isang photon, ang pinakamaliit na hiwa-hiwalay na yunit ng liwanag, habang hindi pinapansin ang lahat ng iba pa. Sa isang makatotohanang kapaligiran, napalilibutan ang photon na iyon ng thermal radiation, sikat ng araw, mga repleksiyon, elektronikong interference, at ingay ng sensor. Binibigyang-diin ng mga sangguniang Tsino na nagdudulot ng kasarinlan sa isang mahalagang bahagi ng quantum ang malawakang produksyon, isang bagay na may kabuluhang industriyal at estratehiko.

Gumamit ng matingkad na talinghaga ang Science and Technology Daily, na pinangangasiwaan ng Ministry of Science and Technology, upang ipaliwanag ang hamon. Inilarawan ng pahayagan ang antas ng katumpakang kailangan upang matukoy ang tunay na signal sa maingay na kapaligiran.

Ayon sa Science and Technology Daily, isang publikasyon ng Ministry of Science and Technology ng China, maihahambing sa halos imposibleng gawain ang paghihiwalay sa iisang photon. Ipinaliwanag ng publikasyon ang pagiging sensitibo nito sa pamamagitan ng isang kapansin-pansing paglalarawan.

gaya ng pagkilala sa tunog ng isang butil ng buhangin na nahuhulog habang may bagyo ng kulog at kidlat

Sinabi rin ng media ng estado na susuporta ang detector sa mga quantum communication network, quantum key distribution para sa mga ligtas na koneksiyon, at sari-saring aplikasyon sa sensing bukod sa radar, mula sa biomedical imaging hanggang sa laser ranging sa malalim na kalawakan. Ipinakilala ang aparato bilang bahagi ng mas malawak na pambansang pagsisikap na gumawa sa loob ng bansa ng mahahalagang bahagi ng quantum.

Paano gumagana ang quantum radar

Payong termino ang quantum radar para sa mga pamamaraan ng sensing na gumagamit ng quantum mechanics upang pahusayin ang pagtukoy sa maingay o mahihinang signal. Isang paraan, na madalas tawaging quantum illumination, ang nagsisimula sa paglikha ng magkapares na entangled photon. Iniuugnay ng entanglement ang mga katangian ng dalawang photon sa sandali ng paglikha sa mga ito, kaya may pinagsasaluhan silang natatanging pagkakakilanlan. Ipinadadala ng radar ang isang photon patungo sa target at iniimbak ang kapareha nito sa isang espesyal na memorya. Kapag may bumalik na photon, inihahambing ng receiver ang balik na iyon sa nakaimbak na kapareha. Ipinahihiwatig ng pagtutugma na malamang na nagmula ang balik sa orihinal na ipinadalang photon at hindi sa sapalarang ingay sa kapaligiran. Ugnayan, hindi lakas lamang ng signal, ang susi.

Payak na paliwanag sa quantum illumination

Nagpapadala ng maraming radio wave ang tradisyonal na radar, kumukuha ng mga alingawngaw, at naghahanap ng mga padron na nangingibabaw sa ingay. Gumagana ang stealth sa pamamagitan ng pagpapahina sa mga alingawngaw na iyon, madalas hanggang sa puntong hindi na maihihiwalay ng receiver ang mga ito sa kalat ng signal. Sa isang quantum system, naghahanap ang radar ng palatandaang ugnayan sa pagitan ng palabas na photon at ng anumang bumabalik na photon. Kahit napakahina ng balik na signal, maaari itong mamukod-tangi dahil sa natatanging ugnayan. Maaari ring labanan ng paraang ito ang ilang panlilinlang gaya ng panggagaya gamit ang digital radio frequency memory, dahil hindi madaling magaya ng isang panggambala ang eksaktong quantum state ng isang photon.

Bakit nagiging mas mahirap ang panggagambala

Sinisikap ng mga taktika sa electronic warfare na bulagin o lituhin ang radar sa pamamagitan ng pagpapadala rito ng mga huwad na signal o pagbaha rito ng ingay. Nagbibigay ng panangga ang pisika ng mga quantum state, dahil hindi ganap na makokopya ng kalaban ang isang quantum state. Hindi nito ginagawang hindi matitinag ang radar, ngunit binabago nito ang takbo ng labanan. Hindi ang paglaban sa panggagambala ang pinakamahirap; ang hamon ay ang pagbuo ng sistemang kayang lumikha, magpadala, mag-imbak, at sumukat sa mga angkop na photon sa kapaki-pakinabang na mga distansiya at sa makatotohanang mga takdang panahon.

Bakit maaaring malantad ang mga stealth jet

Pinapaliit ng mga stealth aircraft gaya ng F-22 at F-35 ang kanilang radar cross section sa pamamagitan ng paghubog sa katawan ng eroplano upang ilihis ang mga alon, at paggamit ng mga materyal at coating na sumisipsip ng enerhiya. Dinadala rin nila sa loob ang mga armas at kinokontrol ang mga inilalabas na signal ng radar upang limitahan ang pagtukoy sa kanila. Mabisa ang mga paraang ito laban sa tradisyonal na radar na nakasalalay sa lakas ng alingawngaw. Maaaring matukoy ng quantum radar ang isang eroplano kahit mahina ang balik na signal kung makukumpirma nitong tunay na kaugnay ng inilabas na photon ang bumalik na photon. Sa prinsipyo, pinahihina nito ang bentahe ng mababang kakayahang makita. Sa aktuwal, nakasalalay ito sa distansiya, bilis ng pagsukat, at kakayahang subaybayan ang mga target habang kumikilos ang mga ito at napalilibutan ng kalat ng signal.

Ipinahihiwatig ng mga ulat ng China na mapahuhusay ng multi-channel na single-photon detector ang bilis ng pagtukoy at pagbuo ng imahe. Maaari rin nitong bawasan ang enerhiyang kailangang ilabas ng radar, kaya mas mahirap matukoy ang radar mismo. Kung mas kaunti ang konsumo ng aparato at maaasahan itong gumana sa mas malawak na saklaw ng temperatura kaysa sa mga naunang superconducting detector, maaari itong mailagay sa mas maraming plataporma, mula sa mga nakapirming himpilan sa lupa hanggang sa mga lobo o drone na lumilipad sa mataas na lugar. Pangako nito ang mas sensitibong receiver na ginagawang maaasahang palatandaan ng pagtukoy ang kaunting photon.

Mga mahihirap na problemang pisikal na nananatili

Pinakamabisa ang quantum sensing sa maiikling distansiya kung saan nakatatagal ang marurupok na ugnayan. Maraming demonstrasyon ang isinagawa sa mga espasyo ng laboratoryo, sa layong ilang sampung talampakan, o hanggang maiikling distansiyang sinusukat sa kilometro sa ilalim ng mainam na kondisyon. Pinagtatalunan pa rin sa labas ng China ang mga pahayag tungkol sa pagtukoy sa layong 100 kilometro sa mga naunang pagsubok, at wala pang nagbunga ng mga sistemang hayagang ginagamit. Tinutukoy rin ng mga pagsusuri sa China ang matitinding limitasyong humahadlang sa mabilisang paglalagay nito sa operasyon.

Mas mahirap lumikha ng magkapares na entangled photon sa mga frequency ng radio, na nakararating sa malayo at nakalulusot sa panahon, kaysa gawin ito sa mga optical o microwave wavelength. Madalas mangailangan ng napakalamig na paglamig ang mga aparatong lumilikha at nagbibilang ng mga photon upang mapanatili ang quantum coherence. May dahilan kung bakit malapit sa absolutong sero ang temperatura ng maraming quantum computer. Malaking hamon sa inhinyeriya ang pagpapalamig ng sensor sa eroplano o sa umiikot na antena sa lupa hanggang sa antas na iyon. Dagdag ito sa bigat, pangangailangan sa kuryente, at pagiging kumplikado ng pagpapanatili.

Nililimitahan ng decoherence, ang pagguho ng mga quantum state kapag nakikipag-ugnayan ang mga ito sa kapaligiran, ang distansiya at pagiging maaasahan. Kailangang mabilis sukatin ng radar ang direksiyon at bilis upang masubaybayan ang target. Madaling nakukuha ng mga tradisyonal na radar ang mga Doppler shift upang matukoy ang bilis. Maaaring mahirapang makakuha ng sapat na mabilis na impormasyon tungkol sa bilis ang mga paraang quantum na gumagamit ng iisang photon nang hindi nagsasagawa ng mahabang pagsasama-sama ng mga sukat. Maaaring angkop ang mahahabang pagsukat sa pagbuo ng imahe ng mga di-gumagalaw na tanawin, ngunit hindi ito akma sa bilis ng depensa sa himpapawid kung saan mahalaga ang bawat segundo. Nagdaragdag pa ng ingay ang pagsipsip at pagkakalat sa atmospera, pati ang radiation sa kapaligiran.

Kinikilala ng mga organisasyon ng pananaliksik sa U.S. ang mga teoretikal na bentahe nito, ngunit inilalarawan ang mga kasalukuyang sistema bilang hindi pa praktikal para sa pagtukoy sa malayuang distansiya. Nananatiling batayan sa labas ng mga eksperimento sa laboratoryo ang maingat na pagtatayang iyon. Hindi maliit na hamon ang paglipat mula sa malinis na pagsubok sa laboratoryo tungo sa operasyonal na radar na sumusuri sa malalawak na lugar, nagsasama ng datos mula sa maraming channel, at nagpapanatili ng kalibrasyon araw-araw.

Ano ang maaaring baguhin ng bagong detector

Mapahuhusay ng mas mahusay na single-photon detector ang pinakamahinang bahagi ng quantum radar: ang receiver. Kung babawasan ng aparato ang ingay, mas marami itong makukuhang tunay na photon event, at sabay-sabay nitong mapoproseso ang ilang channel, mas mabilis makakakuha ng kapaki-pakinabang na datos ang radar. Mas malaki ang posibilidad na matukoy ang mabilis na gumagalaw na mga target at matukoy ang kinalalagyan ng mga ito kapag mas mabilis ang pagbuo ng imahe. Nagbibigay-daan din ang pagkolekta sa maraming channel sa mga estratehiyang gumagamit ng maraming wavelength. Maaaring magsuri ang isang sistema sa iba't ibang frequency at pagsamahin ang mga resulta upang mapataas ang katiyakan.

Ayon sa mga paglalarawan ng China, mas kaunting kuryente ang ginagamit ng detector at mas kaunting enerhiya ang inilalabas nito kapag ginagamit bilang radar, kaya hindi gaanong nakikita ang radar ng mga sensor ng kalaban. Kaakit-akit ang transmisyong mababa ang enerhiya dahil nakatutulong ito sa pananatiling gumagana. Mahalaga rin ito sa mga platapormang limitado ang suplay ng kuryente, gaya ng maliliit na unmanned aircraft at mga lobo sa stratosphere. Kung mapatutunayang maliit ang pakete ng detector, mas maraming lugar ang mapaggagamitan ng sensor, mula sa mga hanay ng sensor sa lupa hanggang sa mga sasakyang nagpapatrulya sa dagat. Kung ilalagay ito sa maraming node, maaaring magbahagi ng mga palatandaan at magkumpirma ng mga natukoy na target ang isang network ng maliliit na quantum sensor.

Mula sa interes sa laboratoryo tungo sa patong-patong na depensa sa himpapawid

Kahit hindi pa handang kumilos nang mag-isa ang isang quantum radar, maaari pa ring idagdag ang mga balik nitong signal sa mas malawak na larawan ng pagmamatyag. Namuhunan ang China sa mga radar na napakataas ang frequency at mas mahusay tumukoy ng mga eroplanong may maliit na radar cross section, gayundin sa mga optical sensor sa kalawakan. Nagmumungkahi ng paraan para sa tuluy-tuloy na pagmamasid sa malalawak na lugar ang mga ulat tungkol sa mga satelayt na may high-resolution na optical payload. Kaya ring matukoy ng mga infrared search-and-track sensor na ginagamit ng ilang puwersang panghimpapawid ang mga bakas ng init ng mga eroplano anuman ang kakayahan ng mga ito na umiwas sa radar. Maaaring makisama sa hanay na ito ang photon-level radar bilang pinagmumulan ng mga palatandaan. Kapag may sensor na nagbigay ng paunang palatandaan ng isang target, mas masusing masusubaybayan ito ng iba upang luminaw ang larawan.

Paligsahan na ngayon ng mga network ang makabagong digmaan sa himpapawid. Nagkakaroon ng bentahe ang panig na mas mabilis magsama ng datos mula sa maraming pinagmumulan, mag-alis ng mga pang-akit na target, at maghatid sa mga yunit na nagpapaputok ng de-kalidad na impormasyong pantarget. Kung maisasama ng China ang mga quantum sensor sa mga network ng command nito, kahit limitado muna sa maiikling distansiya ang saklaw, maaari itong lumikha ng mga pagkakataong makatuklas ng target kung saan wala dati. Mababawasan pa rin ng stealth ang panahong maaaring makipagsagupaan at magpapahirap ito sa pagtukoy ng target, ngunit mas mahirap nang makamit ang pagkabigla sa kalaban.

Isang pandaigdigang paligsahan, hindi pagsisikap ng iisang bansa

Hindi nag-iisa ang China sa pagsisikap na makabuo ng quantum radar at mga kaugnay na sensor. Mahigit isang dekada nang nagsasagawa ng mga eksperimento sa quantum illumination ang mga unibersidad at laboratoryo ng pamahalaan sa North America at Europe. Pinondohan ng Canada ang pananaliksik sa University of Waterloo na nakatuon sa pagmamatyag sa Arctic. Malaki ang inilaan ng European Union sa mga programa sa teknolohiyang quantum, at sinusuri ng mga kompanya ng depensa ang mga aplikasyon nito sa sensing ng militar. Napatunayan na ng mga laboratoryo sa U.S. ang pisika nito at patuloy nilang pinag-aaralan ang quantum sensing, habang sa malapit na panahon ay higit na nakatuon sa mga napatunayang paraan gaya ng infrared search-and-track at mga passive radio-frequency network.

Nagtatayo rin ang India at iba pang bansa ng mga sentro ng pananaliksik sa quantum at nagsasaliksik sa quantum communication at nabigasyon na maaaring magsuporta sa mga sistema ng satelayt. Sumasalamin ang mga pamumuhunang ito sa malawak na paniniwalang magiging mahalaga ang mga teknolohiyang quantum sa seguridad at komersiyo, kahit hindi tiyak ang takdang panahon. Kasinghalaga ng pagbuo ng iisang aparato ang pagtatatag ng batayang industriyal at pang-agham sa paligsahang ito. Mas magiging handa ang mga bansang kayang gumawa nang maramihan ng mga detector na mababa ang ingay, matatag na pinagmumulan ng photon, at matitibay na quantum memory na maglagay sa operasyon ng mga praktikal na sistema kapag may mga tagumpay sa pananaliksik.

Ano ang susunod na dapat bantayan

Makikita sa mga demonstrasyong tumutugma sa mga kondisyon ng aktuwal na operasyon ang ebidensiyang umuusad ang quantum radar mula sa pahayag tungo sa tunay na kakayahan. Kabilang sa mahahalagang hakbang ang mga pagsubok sa paglipad ng mga pinalamig na pakete ng detector sa mga platapormang panghimpapawid, pagtukoy sa layong ilang kilometro habang tuluy-tuloy na sinusubaybayan ang gumagalaw na mga target, napatunayang pagsukat ng bilis, at pagsasama nito sa mga network ng depensa sa himpapawid upang makapagbigay ng mga palatandaan. Pinakamabigat ang bigat ng mga pagsubok na malinaw at nasaksihan ng mga eksperto sa labas.

Pagdating sa hardware, bantayan ang pag-unlad sa mga pinagmumulan ng photon para sa radio frequency, maliliit na sistemang cryogenic na maaaring gamitin sa mga plataporma, at mga quantum memory na nagpapanatili ng coherence nang sapat na katagal para magamit sa aktuwal. Sa paglalagay naman sa operasyon, subaybayan kung nagsisimulang lumitaw ang mga sensitibong detector sa mga radar sa baybayin, sasakyang panghimpapawid, drone, o barko. Malamang na unti-unti itong mangyayari: unang magbibigay ng pakinabang ang mga quantum sensor sa mga espesipikong gamit bago lumawak ang saklaw ng mga ito. Hangga't hindi nangyayari ang mga hakbang na iyon, mananatili ang malaking bahagi ng bentahe ng mga stealth aircraft, bagaman kakailanganing isaalang-alang ng mga tagaplano ang pagliit ng lamang sa mga rehiyong pinagtatalunan.

Ang Pangunahing Punto

• Sinabi ng China na maramihan na nitong ginagawa ang isang single-photon detector na may apat na channel at napakababang ingay, na tinaguriang photon catcher
• Ipinakikilala ang aparato bilang mahalagang bahagi ng quantum radar at mga quantum communication network
• Gumagamit ang quantum radar ng mga entangled photon at pagsusuri sa ugnayan upang ihiwalay ang tunay na signal sa ingay, na posibleng maglantad sa mga stealth aircraft
• Nananatiling pangunahing hadlang sa paglalagay sa operasyon ng praktikal na sistema ang distansiya, pagpapalamig, decoherence, at bilis ng pagsukat
• Pinatitibay ng mas mahusay na detector ang panig ng receiver at nangangako ng mas mabilis na pagbuo ng imahe at mas mababang konsumo ng kuryente
• Kahit may mga limitasyon, maaaring sumuporta ang mga quantum sensor sa patong-patong na network ng depensa sa himpapawid kasabay ng mga VHF radar, optical system sa kalawakan, at infrared system
• Namumuhunan ang ilang bansa sa quantum sensing, kaya isa itong pandaigdigang paligsahan at hindi tagumpay ng iisang bansa
• Makikita ang kapani-paniwalang pag-unlad sa makatotohanang mga pagsubok sa aktuwal na kondisyon, pagsasama sa mga plataporma, at independiyenteng pagpapatunay