隱形戰機的剋星:量子雷達

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隱形戰機是當代戰爭中的強力武器,因它能避開雷達的偵測,進行低空的精準投彈,不少國家投入相當的資金進行其研發。然而,隨著量子科技的發展,以量子糾纏為原理的量子雷達具備有追蹤隱形戰機的潛力,是否隱形戰機在戰場上的傳奇就將被打破?或許投資量子雷達這樣保家衛國的武器,更符合保家衛國的人道做法。

撰文|黃鼎鈞

1980至1990年間,隱形戰機的問世為當代戰爭帶來了全面的升級,甚至常被拿來與二戰期間的原子彈相比。隱形戰機能夠躲避雷達的跟蹤,因此能在敵營之中進行低空飛行,提升投彈的準確性。目前擁有隱形戰鬥機的國家並不多,多數國家仍在研發階段。然而,隨著量子科技的發展,隱形戰機是否仍然是不敗的戰爭神話?量子雷達能夠追蹤隱形戰機的行徑,可能會改變空中戰局,成為隱形技術的極大挑戰。

圖1:於2005年進入美國空軍服役的F-22猛禽隱形戰機|來源:Wikimedia Commons

 

隱形戰機如何把自己藏起來?

隱形戰機的原理並不像我們在生活中所認知的「看不見」,也不是《哈利波特》中的「隱形斗篷」。事實上,我們仍然可以看見隱形戰機,只是它能夠躲避軍事系統的雷達偵測。傳統的雷達是利用發射電磁波並接收其回波,再從中分析目標的位置、速度、方向和距離等資訊。而隱形戰機的機身具有特殊的塗料,被稱為雷射波吸收材料 (radar-absorbing material, RAM)。此外,隱形戰機的設計也進一步降低了訊號反射面積,並且需要抑制航空器本身所發出的電子訊號、熱能和噪音,以達到在雷達偵測中的隱形效果。簡言之,這些設計都使得傳統雷達無法接收到回波,因此無法偵測到隱形戰機的存在。有趣的是,在1980年代,美軍正在祕密研發隱形戰機時,因其特殊的造型,在試飛階段經常被民眾目擊,甚至被誤認為外星飛碟。

圖2:披上隱形斗篷的戰鬥機示意圖,事實上隱形戰機是藉由其塗料及機身形狀造成雷達無法偵測其行蹤,並非像是《哈利波特》劇情中的隱形。有趣的是,隱形戰機有一別名為「空中幽靈」|來源:Microsoft Copilot

 

破解隱形戰機的量子雷達

量子雷達的發展是基於量子力學中糾纏 (entanglement) 的特性而生。當兩個粒子相互糾纏時,無論粒子之間相距多遠,它們皆能穿越時空交換訊息,各自形成相對應的狀態。不僅如此,在量子狀態中的粒子是一種波的狀態,當被觀測,或說干擾時,會使其量子狀態被改變。因此,透過發射一個光子,並保持另一個糾纏光子的狀態,再去分析光子的量子狀態,便可以識別目標。

傳統的雷達像是投手丟出一顆球,再觀察這一顆球有沒有返回,若有返回表示有撞到東西導致反彈;而隱形戰機就像是一個厲害的捕手,當球飛來便會抓住,以至於對投手而言,彷彿球一去不返。至於量子雷達則比較像是釣魚,釣魚線仍牽引著兩端,若是有魚上鉤了,漁夫馬上就能感覺到整個釣竿的變化,只不過對量子糾纏來說,此變化是一種同步的狀態改變,並不是靠著介質(像是空氣或釣魚線)來傳遞震動;因此,若隱形戰機這個捕手抓住了光子時,這顆光子的狀態必然會改變,此時另一頭相互糾纏的光子也就會同步產生變化。

 

圖3:傳統雷達是透過訊號回波偵測物體;量子雷達則是發射一光子,同時與留在原處的光子糾纏,藉由量子狀態的改變來偵測物體|來源:作者提供

 

目前量子雷達研發的困難

理論上,量子雷達具有偵測隱形戰機的潛力,也逐漸被證實能將這樣的量子現象應用於實際的科技之中。然而,要實現這一潛力的應用仍面臨著許多技術上的困難。糾纏光子源是量子雷達的核心,但要製造出足夠的糾纏光子源並不容易,這限制了量子雷達的偵測規模。此外,量子現象的高度敏感性使得量子雷達容易受到來自周圍環境的微小干擾影響,在光子傳遞的過程中,如何不被隱形戰機以外的物質所產生的訊號干擾,或者如何從大量的訊號中準確地擷取出目標訊號,科學家們還需要開發出更加精密的控制和濾波技術,以確保量子雷達系統能夠在複雜的環境中有效地運作。目前,這方面的技術仍需要不斷地改進和完善,以滿足實際應用的需求。雖然量子雷達尚未上路,但相關的技術也同時正被應用於醫療科技中,能透過糾纏光子對來偵測人體內器官的變異或缺陷,這樣的技術能減少目前相關偵測設備在人體中帶來的輻射劑量累積。

透過量子糾纏的應用,使人類在科技上有了不同的「偵測」思維。這樣的量子現象不只被採用在雷達,還有其他的通訊設施上,能夠帶來更快速、更安全的信息交換。若科技的發展所帶來的是更多的戰爭,將會是人類的一大憾事。或許,比起發展隱形戰機,能將資金與技術投注在保國衛民的量子雷達會是另一種選擇。

 


參考文獻

  1. Barzanjeh, S., Guha, S., Weedbrook, C., Vitali, D., Shapiro, J. H., & Pirandola, S. (2015). Microwave quantum illumination. Physical Review Letters, 114(8).
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