Aktualnie kto pierwszy wykryje emisję radiową, kto szybciej zorientuje się, skąd idzie komunikacja, kto odróżni drona od wabika, radar od zakłócenia i zwykły szum od początku ataku, ten często zyskuje przewagę jeszcze zanim padnie pierwszy strzał. Dla mnie właśnie w tym miejscu zaczyna się najciekawsza część współczesnej technologii wojskowej, bo przestajemy mówić wyłącznie o “mocniejszej broni”, a zaczynamy mówić o dodatkowych zmysłach dla żołnierzy.
Naukowcy z DEVCOM ARL pokazali kwantowy sensor oparty na atomach Rydberga, który potrafi mierzyć trójwymiarowy kierunek pól elektromagnetycznych o częstotliwościach radiowych. W praktyce chodzi o mały układ z parami rubidu, laserami i atomami doprowadzonymi do stanu tak wrażliwego, że przechodząca fala radiowa zaczyna zdradzać nie tylko swoją siłę, ale też orientację, polaryzację i kierunek propagacji. Tak, brzmi to jak magia. Tyle że w tym przypadku ciekawsze od magii jest to, że stoją za nią bardzo konkretne prawa fizyki.
Atomy Rydberga mogą stać się nowym zmysłem pola walki
Najprościej mówiąc, atom Rydberga to atom wzbudzony do bardzo wysokiego poziomu energetycznego. Elektron znajduje się wtedy znacznie dalej od jądra niż zwykle, przez co cały atom zaczyna reagować niezwykle mocno na pola elektryczne. W sensorach tego typu wykorzystuje się zwykle parę alkalicznych atomów, na przykład rubidu albo cezu, zamkniętą w małej szklanej komórce. Lasery przygotowują atomy do pracy, a przechodzące pole radiowe zmienia ich zachowanie w sposób możliwy do odczytania optycznie.
Czytaj też: Wojna przyszłości zagląda pod pojazd i na jego dach. Tak wygląda ochrona załóg nowej ery
Zamiast więc budować kolejną klasyczną antenę, mierzymy odpowiedź samej materii. Jest to ważne, bo klasyczne anteny mają bardzo konkretny problem. Często muszą być dopasowane rozmiarem do długości fal, które mają odbierać, a ich skuteczność i kierunkowość wynikają z geometrii, pasma, wzmacniaczy oraz całej elektroniki wokół. Taki sensor ma mieć zaledwie kilka centymetrów, a mimo tego ma być zdolny do pracy w bardzo szerokim zakresie częstotliwości. Amerykańska armia pisze wręcz o zakresie od prądu stałego do teraherców, czyli o rozpiętości, której nie da się łatwo upchnąć w jednym klasycznym i małym zestawie antenowym.
Nowy sensor ma nie tylko wykrywać obecność sygnału radiowego, ale także określać jego pełną orientację przestrzenną i kierunek propagacji, czyli tak zwany wektor k. Ma być to nawet pierwsza taka demonstracja wykonana z użyciem sensora kwantowego, a dokładność wskazywania kierunku sygnału ma sięgać około dwóch stopni.
Pole bitwy jest dziś przepełnione sygnałami
Odkąd piszę o dronach, amunicji krążącej i wojnie elektronicznej, coraz mocniej widzę jeden trend – współczesny front nie jest cichy. Nawet jeśli gołym okiem nie dzieje się nic spektakularnego, to w eterze trwa nieustanna walka. Drony przesyłają obraz, systemy dowodzenia wymieniają dane, radary wysyłają impulsy, zakłócacze próbują zalać pasma szumem, a część platform stara się działać tak, by zdradzić jak najmniej. Zauważyłem to m.in. przy rozpraszaniu zdolności walki elektronicznej na mniejsze nośniki, gdzie coraz istotniejsze staje się nie jedno wielkie urządzenie, ale cała sieć mniejszych elementów zakłócających, wykrywających i dezorganizujących przeciwnika.
Nowy sensor ARL wpisuje się w ten sam szerszy ruch, ale od strony rozpoznania. W świecie, w którym na jednym obszarze mogą działać setki źródeł emisji radiowej, klasyczne “słyszę coś w tym paśmie” przestaje wystarczać. Trzeba wiedzieć, skąd sygnał przychodzi, jak jest spolaryzowany, czy porusza się zgodnie z oczekiwaniem, czy pasuje do znanego wzorca, czy może jest częścią bardziej złożonego oszustwa. Wtedy wykrywanie nie jest już tylko rejestrowaniem sygnału, lecz budowaniem mapy elektromagnetycznej pola walki.
Dla mnie najciekawszy nie jest więc sam fakt, że komórka z rubidem może “usłyszeć” fale radiowe. Istotniejsze jest to, że taki sensor może kiedyś pomóc żołnierzom zobaczyć niewidzialną geometrię frontu. Nie czołg na drodze. Nie drona nad lasem. Raczej układ zależności, bo skąd pracuje nadajnik, gdzie może znajdować się operator, czy w pobliżu pojawia się źródło zakłóceń, czy przeciwnik przygotowuje aktywność systemów bezzałogowych, czy nagle rośnie ruch w paśmie powiązanym z konkretną klasą sprzętu.
Mała szklana komórka zamiast zestawu wielkich anten
Sam nowy sensor działa na pozór skromnie. W małej szklanej komórce znajduje się para atomów rubidu. Lasery przygotowują atomy do stanu Rydberga, a gdy przez komórkę przechodzi fala radiowa, atomy reagują na pole elektryczne. Ta reakcja pozwala odczytać parametry sygnału.
Czytaj też: Padnie rozkaz, a reszta zrobi się sama. Chiny pokazały algorytm dla pola bitwy przyszłości
Jeśli Amerykanom sensor rzeczywiście uda się kiedyś doprowadzić do odpornej, polowej formy, zyskamy potencjalnie urządzenie zdolne do pasywnego rozpoznawania spektrum. Pasywnego, czyli takiego, które nie musi samo świecić jak radar, a to akurat ogromna różnica. Aktywny system wykrywania zdradza własną obecność, a w wojnie elektronicznej każda emisja może stać się zaproszeniem do ataku. Dlatego przy polskich testach systemów antydronowych szczególnie ciekawe było dla mnie łączenie wielu warstw, bo akustyki, walki radioelektronicznej, radarów i optoelektroniki. Jeden zmysł nie wystarcza. Dopiero kilka warstw zaczyna dawać obraz sytuacji.
Kwantowy sensor radiowy mógłby stać się jedną z takich warstw. Nie zastąpi wszystkiego. Nie wykryje celu, który nie emituje żadnego sygnału radiowego i nie odbija niczego użytecznego w danym scenariuszu. Nie rozwiąże automatycznie problemu identyfikacji cywili, wabików, fałszywych emisji i celowego bałaganu w spektrum. Może jednak dać coś, czego armie będą potrzebować coraz bardziej, bo mały, szerokopasmowy, bardzo precyzyjny “nos” do wyczuwania radiowego śladu działań przeciwnika.
Kwantowe sensory to część większej zmiany
Warto spojrzeć na ten temat szerzej, bo kwantowe czujniki nie są wyłącznie amerykańską zabawką. Podobny kierunek opisywałem już przy chińskich pracach nad kwantowym wykrywaniem okrętów podwodnych, gdzie stawką również jest wyłapywanie subtelnych śladów czegoś, co miało pozostać ukryte. Tam chodzi o zaburzenia pola magnetycznego, tutaj o trójwymiarowy obraz pola elektromagnetycznego o częstotliwościach radiowych, ale filozofia pozostaje podobna. Przyszłość rozpoznania coraz częściej polega na mierzeniu zjawisk, które dla człowieka są kompletnie niewidzialne.
Czytaj też: Plastik i skała wulkaniczna trafiły do wojskowej łodzi. Tak wygląda improwizacja XXI wieku
DARPA również rozwija programy związane z sensorami opartymi na parach atomowych i atomach Rydberga, wskazując ich potencjał w szerokopasmowym wykrywaniu pól elektrycznych, obrazowaniu, świadomości spektrum i komunikacji. To akurat pokazuje, że nie mówimy o pojedynczym artykule naukowym oderwanym od wojskowych potrzeb, ale o całej klasie technologii, którą amerykański ekosystem obronny traktuje poważnie.
Jeszcze niedawno takie rzeczy kojarzyły się z odległą fizyką, bo z laboratorium, z opowieściami o komputerach kwantowych, które zawsze mają nadejść “za kilkanaście lat”. Tymczasem tutaj kwantowość nie służy do abstrakcyjnego przyspieszenia obliczeń, tylko do bardzo przyziemnego wojskowego zadania pokroju wykrywania i analizowania sygnałów.
