Değişen dünya şartlarına adapte olabilmek ve Türk Silahlı Kuvvetlerinin caydırıcı gücünü artırmak için çalışan ASELSAN, şimdi de Kuantum savaş teknolojileri üzerine çalışma başlattı. Kurumun resmi twitter sayfasından yapılan paylaşımda şu ifadelere yer verildi: “Kuantum temelli uzaktan algılama sistemleriyle, gizli hedefler ve önleme sistemlerine karşı üstün performans sağlanacak. Çığır açacak #kuantum teknolojilerinde Ar-Ge çalışmalarımız sürüyor."
ASELSAN’dan Kuantum Savaş Teknolojileri! ilk ışıma yapıldı KUANTUM LİDAR nedir? Dolanık foton kaynaklarının kullanıldığı kuantum lidar sistemleri, hedef aydınlatmasında kullandıkları ışık kaynakları, gelen sinyallerin tespiti ve analizi konularında klasik lidar sistemlerinden ayrılmaktadır. Klasik lidar sistemleri eş-fazlı (coherent, quasi-classical) optik bölgede (VIS, NIR, SWIR) ışık kaynağı (lazer) kullanırken, kuantum lidar sistemleri ise kuantum ışık kaynağı (tek-foton, dolanık foton) ile hedefi aydınlatmaktadır. Klasik lidar sisteminde eş-fazlı (birbirine çok yakın dalga boyunda, polarizasyonda ve yaratım zamanında) birçok foton hedefe gönderilmektedir. Hedeften dönen fotonların foto-dedektör ve kameraya geliş zamanı üzerine ya da daha da ileri korelasyonlar olan fotonların oluşum zamanları incelenerek öncelikle zamansal ve dolaylı olarak da uzaysal haritalama, hedef uzaklığı ve tespiti ile hedefin hızı gibi özellikler saptanabilmektedir. Hedefe gönderilen fotonlar için ayrıca dalga-boyu filtrelemesi yapılarak, arka-plan radyasyonu vb. etkilere karşı sinyal-gürültü oranı (SNR) artırılabilmektedir. Bununla birlikte, klasik lidar sistemleri kullanılan fotonların dalga boyundaki gürültü, termal arka-plan ve karşı-önleyici fotonlara karşı savunmasızdırlar ve hedefe gönderilen foton akısı artırılarak SNR değerini artırmak mümkün değildir. Klasik lidarlar ile ilgili bir diğer sorun da kullanılan foton sayısının fazlalığı nedeniyle tespit edilmelerinin oldukça kolay olmasıdır.
KUANTUM LİDAR nedir? Kuantum lidar konseptinde, kuantum ışık kaynağından çıkan dolanık foton çiftlerinden birisi, yani sinyal fotonu, hedef tespiti amacıyla kullanılırken, diğeri (idler) yani kaynak fotonu ise sistemde dijital (klasik) olarak veya kuantum durumunun kaybolmayacağı bir şekilde (hafızada) tutularak, hedeften dönen fotonla ilişkisi incelenmektedir. Hedeften saçılan veya yansıyan dolanık foton, kaynağa tekrar döndüğünde sistemde bulunan ya da kaydedilmiş fotonların zaman, enerji ve/veya polarizasyon vb. korelasyonları incelenmekte ve hedefin varlığı hakkında bilgi sahibi olunmaktadır. Üretilen dolanık foton çiftlerinin enerji-zaman ve polarizasyon durumları belirli olduğundan, hedeften yansıyan ve saçılan fotonların tespit edilmesinde klasik lidardakine benzer şekilde uygun filtreleme protokolleri de seçilebilmektedir. Lloyd tarafından 2008 yılında önerilen kuantum aydınlatma protokolüyle hedeften dönen ve kaynakta bekletilen dolanık fotonların eş-zamanlı optik olarak korelasyonlarına bakılarak fotonların dolanıklık seviyesi belirlenebileceği ve klasik lidara oranla 6 dB daha yüksek SNR değerine erişilebileceği gösterilmiştir. Bununla birlikte ortamla ya da hedefle etkileşme sonucunda dolanık foton çiftlerinin dolanıklık durumu büyük oranda yok olabilmektedir. Kuantum ışık kaynağının dolanıklık özelliği kaybolsa da foton çiftleri hâlâ büyük oranda korelasyonlara sahip olmaktadır. Diğer yandan, optik komponentler, dedektör verimi vb. nedenler dolayısıyla oluşabilecek kayıplar yüzünden SNR avantajı değerinin 3 dB olacağı hesaplanmaktadır. Kuantum lidar konseptinde diğer bir önemli konu da sistemin optik tasarımına bağlık olarak hedef tespit algoritması ya da protokolünün seçilmesidir. Kaynakla hedef arasındaki mesafenin önceden bilinmemesi (faz farkları), kaynakta bekletilecek fotonun optik sistemdeki kayıplar sonucu yitirilmesi ya da hedeften gelen foton ile kaynaktaki fotonun uzaysal olarak aynı noktaya getirilmesindeki zorluklar kuantum aydınlatma protokolün uygulanmasını pratik açıdan oldukça zorlaştırmaktadır. Literatürde şimdiye kadar kuantum aydınlatma protokolünün kullanıldığı sadece bir deneysel çalışma rapor edilmiştir. Kuantum aydınlatma protokolündeki dolanık foton çiftlerinin dolanıklık testleri üzerindeki bu zorluklar yüzünden alternatif olarak dolanık foton çiftlerinin sadece zaman, enerji ve polarizasyon korelasyonlarının incelendiği faz-duyarsız protokoller ile hedef tespiti de yapılması mümkündür. Bu tür protokollerin klasik lidar sistemlerine kıyasla SNR değeri yüksek olmakla birlikte kuantum aydınlatma protokolüne göre daha düşüktür. Bununla birlikte özellikle gürültü ve arka-plan radyasyonu içeren senaryolarda faz-duyarsız protokollerin faydalı olacağı düşünülmektedir. Şekil 2’de faz-duyarsız protokol ile kurulmuş örnek bir kuantum lidar şeması gösterilmektedir. Bir pompa lazer vasıtasıyla oluşturulan dolanık foton çiftlerinden birisi (kaynak) sistemde bir tek-foton dedektörü vasıtasıyla dijital olarak ölçülmekte ve diğer dolanık foton (signal) hedefe gönderilmektedir. Hedeften birçok açıyla yansıyabilen fotonlar geniş açılı bir lens içeren teleskop yardımıyla toplanmaktadır. Daha sonra toplanan fotonlar ise yine bir tek-foton dedektörüne gönderilmektedir. Tek foton dedektörleri, üzerine gelen fotonların varış zamanlarına bağlı olarak çok hızlı dijital sinyal üretebilen ve günümüzde pikosaniye zaman mertebesinde çalışabilen detektörlerdir. Tek foton dedektörlerinin zamana bağlı dijital çıkışlarının çapraz-korelasyonu bir harici modül üzerinde incelenerek hedef varlığı ve konumu hakkında bilgi sahibi olunabilmektedir. Dolanık fotonların yüksek arka plan gürültü sevilerinde dahi, yüksek korelasyon kalitesi sayesinde, tek-foton mertebesinde hedef tespiti yapılabilmektedir. Kuantum ışık kaynağı altında hedef aydınlatılması ve hedeften gelen sinyallerle sistemde tutulan fotonların korelasyonlarının incelenmesi prensibi radar uygulamalarına adapte edilerek kuantum radarların da oluşturulması mümkündür. Kuantum lidar sistemlerinde kullanılan kuantum ışık kaynağı ve foton toplayıcı dedektör sisteminin uygun birimlerle (Josephson eklemleri ve mikrodalga-optik foton çeviriciler) değiştirilmesiyle radar için operasyonel olan mikro-dalga boyu aralığında çalışılabileceği değerlendirilmektedir.
KUANTUM LİDAR nedir? Bununla birlikte, kuantum radarın çalışacağı mikro-dalga frekansında sistem kaynaklı termal etkiler (mikro-dalga kubitlerin fonon ya da fotonlara çevrilmesi vb.) kuantum doğalı mikro-dalga yaratımında gürültü olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu termal gürültüden kurtulmak için mikro-dalga fotonların oluşturulup hedefe gönderildiği bütün komponentlerin çok düşük (mili-Kelvin) sıcaklıklara soğutulmasını gerektirmektedir. Elektromanyetik alanların kuantum özellikleri kullanılarak özellikle uzaktan algılama alanında klasik limitlerin aşılabileceği gösterilmiştir. Uzaktan algılama sisteminin (lidar ya da radar) hedeften dönen fotonları diğer fotonlardan yüksek kuantum korelasyonlar sayesinde ayırabilmesi ise kuantum algılama teknolojisini mümkün kılmaktadır. Bu kuantum mekaniksel avantaj özellikle çok düşük radar kesitli hedef ve yüksek arka-plan radyasyonuna sahip ortamlarda ortaya çıkmaktadır. Gelecekte, kuantum temelli uzaktan algılama sistemlerinin özellikle gizli hedefler ve karşı-önleme sistemlerine karşı klasik algılama sistemlerine oranla üstün performans göstereceği düşünülmektedir.