Vào ngày 17/1, một chiếc Boeing 737 MAX 8-200 của Ryanair đang chuẩn bị hạ cánh xuống Vilnius, thủ đô Lithuania, thì đột ngột hủy bỏ quá trình tiếp cận chỉ cách mặt đất vài phút. Sự cố này khởi nguồn từ việc hệ thống Định Vị Toàn Cầu (GPS) trên máy bay gặp nhiễu tín hiệu bí ẩn, buộc phi công phải lấy lại độ cao và bay lệch tới hơn 400km xuống Warsaw (Ba Lan) để hạ cánh khẩn. Vụ việc khiến giới chức hàng không Lithuania xác nhận máy bay đã “bị nhiễu tín hiệu GPS” ngay lúc sắp chạm bánh xuống đường băng.
Trường hợp này không phải cá biệt: Chỉ trong ba tháng cuối năm 2024, hơn 800 sự cố nhiễu GPS được thống kê trong không phận Lithuania. Một số quốc gia lân cận như Estonia, Phần Lan cũng tố cáo hoạt động gây nhiễu do Nga triển khai sát biên giới phía đông của NATO – dĩ nhiên Moscow phủ nhận cáo buộc. Thậm chí, một sự việc đáng chú ý hơn là vào tháng 3 năm trước, Grant Shapps (khi đó là Bộ trưởng Quốc phòng Anh) đang có mặt trên chuyến bay qua gần không phận Nga cũng gặp tình trạng máy bay “mất sóng GPS” do bị nhiễu.
Nguy cơ làm nhiễu GPS không chỉ đe dọa hàng không, mà còn ảnh hưởng nghiêm trọng tới vô số hoạt động quan trọng khác. Từ hệ thống tài chính, điện lực, viễn thông…, tất cả đều dựa trên GPS để đồng bộ thời gian ở cấp độ cực kỳ chính xác. Ngay từ năm 2017, một báo cáo của chính phủ Anh nhận định rằng nếu GPS bị gián đoạn có hệ thống, mọi thứ “từ thị trường tài chính đến hệ thống điện quốc gia và hạ tầng thông tin liên lạc” có thể tê liệt hoàn toàn.
Tại sao GPS quan trọng và dễ bị tổn thương?
GPS không chỉ giúp xác định vị trí, mà cốt lõi là nó “định thời gian” (time-stamping) cho hàng loạt hoạt động: giao dịch ngân hàng, đồng bộ mạng viễn thông, quản lý lưới điện,… Hệ thống định vị toàn cầu này vận hành bằng cách: thiết bị của người dùng thu tín hiệu từ nhiều vệ tinh, tính toán thời gian tín hiệu đến để xác định chính xác vị trí trên Trái Đất. Thời gian càng chuẩn xác, vị trí càng chính xác.
Muốn có được độ chính xác ấy, mỗi vệ tinh GPS đều mang theo đồng hồ nguyên tử “chuẩn quốc tế”, có sai số không quá 100 phần tỷ giây. Các đồng hồ này lại thường xuyên “chốt thời gian” với những đồng hồ nguyên tử dưới mặt đất (ví dụ như tại Phòng Thí Nghiệm Vật Lý Quốc Gia ở Anh – NPL), đảm bảo toàn bộ hệ thống GPS luôn đồng bộ tuyệt đối.
Tuy nhiên, tín hiệu GPS đi từ vệ tinh xuống bề mặt Trái Đất khá yếu, dễ bị “chặn” hoặc “nhiễu”. Giả sử một quốc gia hoặc nhóm khủng bố cố ý “chặn” sóng bằng cách phát tín hiệu cường độ cao cùng tần số GPS, người dùng bên dưới sẽ mất hoặc nhận sai tín hiệu. Tệ hơn, nếu kẻ tấn công dùng “spoofing” (giả mạo tọa độ), các thiết bị phụ thuộc GPS – gồm cả máy bay, tàu biển, ô tô tự lái – có nguy cơ hoạt động sai lệch, gây tai nạn lớn.
Chính phủ Anh xếp nguy cơ này vào nhóm rủi ro lớn nhất, với ước tính thiệt hại lên đến 1,4 tỷ bảng mỗi ngày nếu xảy ra nhiễu GPS trên diện rộng. Không chỉ Anh, nhiều nước khác cũng xem đây là mối đe dọa nghiêm trọng, nhất là trong bối cảnh xung đột cường độ cao hoặc tranh chấp lãnh thổ.
Các “Time Lords” tìm kiếm giải pháp
Trước tình trạng trên, một nhóm các nhà khoa học Anh – thường được gọi vui là “Time Lords” – đang chạy đua với thời gian để phát triển “một lựa chọn thay thế an toàn cho GPS”, thứ không thể bị can thiệp bằng công nghệ gây nhiễu từ xa. Ý tưởng rất đơn giản nhưng khó thực hiện: thay vì phụ thuộc tín hiệu vệ tinh bên ngoài (vốn có thể bị chặn), hãy mang theo chính chiếc đồng hồ nguyên tử di động bên mình để định thời gian và từ đó suy ra vị trí.
Khi một thiết bị có thể tự ghi thời gian siêu chuẩn xác mà không cần đồng bộ vệ tinh, nó sẽ tiếp tục hoạt động tốt ngay cả khi GPS bị “làm mù”. Nhưng làm sao để “đưa” một cỗ máy nguyên tử, vốn cồng kềnh và đắt đỏ, vào trong máy bay, tàu, hay thậm chí trong điện thoại? Đó là bài toán lớn.
Đồng hồ nguyên tử
Từ năm 1967, khái niệm “giây” (giây chuẩn quốc tế) được định nghĩa dựa trên hiện tượng vi sóng của nguyên tử caesi (cesium), thay thế “chu kỳ quay của Trái Đất” không ổn định. Chính sự thay đổi này đã mở đường cho cuộc cách mạng định vị vệ tinh (GPS) vào cuối thế kỷ 20. Nhờ GPS, việc định thời gian trên phạm vi toàn cầu trở nên chính xác đến mức có thể tiến hành giao dịch tài chính và liên lạc băng thông lớn theo thời gian thực.
Giờ đây, khi GPS đứng trước nguy cơ bị gây nhiễu hoặc vô hiệu hóa (bởi xung đột quân sự, tai nạn, hay thậm chí quyết định đơn phương của quốc gia sở hữu), giới nghiên cứu muốn tạo ra một thế hệ “đồng hồ nguyên tử quang học” mới, còn chính xác gấp cả trăm lần so với đồng hồ caesi hiện tại. Đồng hồ quang học này dựa vào tia laser thay vì bức xạ vi sóng, đòi hỏi công nghệ chế tạo và kiểm soát laser rất phức tạp.
Nhóm Time Lords tại NPL và hàng loạt phòng thí nghiệm liên quan đang làm việc để miniaturize (thu nhỏ) loại đồng hồ quang học này, đồng thời xây dựng một mạng lưới kết nối những đồng hồ này trên khắp nước Anh. Mục tiêu là đến năm 2030, đất nước này sẽ có tối thiểu 4 đồng hồ quang học gắn kết, cung cấp “thời gian tham chiếu” cho các hệ thống trọng yếu như tài chính, viễn thông, lưới điện, an ninh quốc phòng. Lúc đó, các cơ sở hạ tầng trên có thể “chuyển đổi dần” từ phụ thuộc GPS sang dựa vào mạng lưới đồng hồ trong nước – khó bị gây nhiễu hơn nhiều.
Từ John Harrison đến cách mạng đồng hồ quang học
Câu chuyện này gợi nhắc ta về cuộc đua “giải quyết kinh độ” vào thế kỷ 18. Khi ấy, các tàu biển thường biết vĩ độ (dựa vào góc mặt trời, sao…) nhưng không thể xác định kinh độ chính xác, dễ gây đắm tàu. Ai giải quyết được bài toán kinh độ sẽ mở ra kỷ nguyên thương mại hàng hải toàn cầu. Thợ làm đồng hồ John Harrison đã chiến thắng bằng việc chế tạo đồng hồ quả lắc bỏ túi có độ chính xác cực cao, không bị ảnh hưởng khi ra khơi (trái ngược với ý kiến của chính Isaac Newton vốn nghi ngờ khả năng này).
Giờ đây, loài người lại đứng trước một “bài toán GPS”. Chúng ta muốn thoát khỏi sự ràng buộc vào tín hiệu vệ tinh dễ bị gây nhiễu, đồng thời vẫn duy trì khả năng đồng bộ thời gian lên tới hàng tỷ giao dịch hoặc liên lạc mỗi giây. Các nhà nghiên cứu tin rằng “đồng hồ nguyên tử quang học cầm tay” chính là chìa khóa, giống như cách Harrison mang lại chiếc đồng hồ hàng hải ba thế kỷ trước.
Trở ngại nằm ở việc đồng hồ nguyên tử siêu chuẩn xác thường là các hệ thống phòng thí nghiệm cỡ lớn, cần nhiệt độ, áp suất và độ rung ổn định. Một thay đổi nhỏ về nhiệt độ hay độ rung cũng có thể làm sai lệch tần số dao động nguyên tử. Giải pháp lại chính là thu nhỏ kích thước, giống bài học lịch sử: đồng hồ của Harrison càng nhỏ, càng dễ ổn định hoạt động. Đồng hồ quang học mini cũng vậy – càng giảm kích cỡ, càng dễ kiểm soát môi trường bên trong.
Ứng dụng của đồng hồ nguyên tử di động
Gần đây, Chính phủ Anh đã tài trợ nhiều dự án nghiên cứu thiết bị định vị “không cần GPS” cho máy bay. Tháng 5/2024, một nhóm kỹ sư hàng không thử nghiệm bay với công nghệ “làm lạnh nguyên tử” ở nhiệt độ -273°C (tương đương 0 độ Kelvin), đặt ngay trong khoang máy bay. Nếu thành công, thiết bị đó sẽ tính toán thời gian và vị trí độc lập với GPS, miễn nhiễu từ bên ngoài.
Khi máy bay mất GPS do bay gần vùng nhiễu (ví dụ sát biên giới Nga, như trường hợp của Grant Shapps), hệ thống nguyên tử di động này vẫn duy trì tọa độ. Thay vì lệ thuộc vào vệ tinh, máy bay dựa vào bộ đồng hồ quang học (hoặc đồng hồ caesi mini) kết hợp với các cảm biến quán tính (gyroscope, accelerometer) để ước tính tốc độ, hướng di chuyển.
Nhưng hiện tại, các nguyên mẫu vẫn quá lớn và cồng kềnh. Henry White, đại diện BAE Systems, tiết lộ rằng ứng dụng thực tiễn đầu tiên có thể sẽ là trang bị thiết bị này cho tàu hải quân (vì tàu có không gian rộng hơn máy bay). Bên cạnh đó, Bộ Quốc Phòng Anh đang mong muốn đưa công nghệ này vào khu vực tác chiến. Sự phức tạp ở chỗ: chiến trường có đủ loại chấn động, nhiệt độ, độ ẩm, áp suất thay đổi liên tục… Việc kiểm soát môi trường cho “hệ thống nguyên tử” ở nơi khắc nghiệt là thách thức lớn.
Vấn đề gây nhiễu ở Ukraine
Chúng ta không khó để thấy tình trạng nhiễu GPS đã và đang khiến hoạt động quân sự của Anh cùng các đồng minh ở Ukraine gặp trở ngại. Trong bối cảnh tác chiến hiện đại, UAV, tên lửa dẫn đường, các đơn vị pháo binh cũng phụ thuộc tín hiệu định vị và đồng bộ thời gian. Khi GPS bị làm mù, độ chính xác vũ khí giảm, thông tin liên lạc rối loạn. Có thể nói, kiểm soát được “thời gian và vị trí tin cậy” chính là lợi thế quyết định trên chiến trường.
Như một nhà khoa học tại DSTL (Phòng Thí Nghiệm Khoa Học và Công Nghệ Quốc Phòng) Anh chia sẻ: “Chúng ta đang cố gắng nắm bắt và điều khiển chính những nguyên tử, đối phó với rung lắc, chênh lệch nhiệt, áp suất… trong một môi trường bão táp.” Nhưng nếu thành công, quân đội sẽ sở hữu “la bàn không thể nhiễu” và “đồng hồ không thể sai” – “át chủ bài” trong bối cảnh xung đột.
Bài Liên Quan
Khi nhiễu GPS lan rộng
Những vụ việc như máy bay Ryanair buộc phải hạ cánh khẩn, hay sự cố Grant Shapps mất GPS gần Nga, dự báo kịch bản đáng ngại: bất cứ lúc nào, một phe nào đó cũng có thể cắt GPS trên diện rộng. Viễn cảnh này không chỉ nguy hại cho an toàn hàng không, hàng hải, mà còn đe dọa toàn bộ nền kinh tế số, thị trường tài chính và các dịch vụ công cộng vốn dựa vào GPS để đồng bộ thời gian.
Chúng ta có thể lệ thuộc GPS đến mức “quá nguy hiểm”. Theo giáo sư Douglas Paul của nhóm “UK Hub for Quantum Enabled Position Navigation and Timing (QEPNT)”, Mỹ từng đề cập khả năng “tắt GPS” hoặc thay đổi quyền truy cập trong trường hợp khẩn cấp quốc gia. Thêm nữa, nếu xung đột nổ ra, vệ tinh GPS có thể bị phá hủy hoặc can thiệp, khiến thế giới đối mặt hậu quả khôn lường.
Cuộc đua “thu nhỏ” đồng hồ quang học
Nhóm QEPNT được chính phủ Anh thành lập tháng 12 năm ngoái để hỗ trợ chế tạo những “phiên bản thu nhỏ trên chip” của đồng hồ nguyên tử và các cảm biến quán tính (gyroscope, accelerometer). Mục tiêu lâu dài là đưa đồng hồ nguyên tử vào điện thoại của mỗi người dùng, để mọi người có thể định vị mà không phụ thuộc tín hiệu ngoài. Tất nhiên, viễn cảnh đó có lẽ phải… vài thập kỷ nữa. Prof. Paul thừa nhận: “Việc chuyển hết hạ tầng quan trọng của quốc gia sang công nghệ này cần ít nhất 10 năm, thậm chí lâu hơn nhiều.”
Nhưng trước mắt, chỉ cần những giải pháp “cỡ lớn hơn”, tích hợp trên máy bay, tàu chiến, trung tâm dữ liệu, ngân hàng… đã tạo nên tấm lá chắn hữu hiệu. Đầu năm 2024, Chính phủ Anh tổ chức chuyến bay thử cùng thiết bị nguyên tử; cựu Bộ trưởng Khoa học Andrew Griffith ca ngợi nó là “bằng chứng cho thấy Anh đang dẫn đầu thế giới về công nghệ lượng tử”. Theo ông, đây là lần đầu tiên trên thế giới có chuyến bay công khai sử dụng công nghệ định vị nguyên tử lạnh để thay thế GPS.
Thách thức và triển vọng
Khó khăn:
- Chi phí: Đồng hồ lượng tử siêu chính xác có giá hàng trăm nghìn bảng, chưa kể phụ kiện kiểm soát nhiệt, rung.
- Kỹ thuật: Thu gọn thiết bị để dùng trên máy bay, tàu chiến, chứ đừng nói trong điện thoại, đòi hỏi nỗ lực lớn.
- Môi trường khắc nghiệt: Rung lắc, chênh áp, dao động nhiệt,… ảnh hưởng rất lớn tới thao tác “kẹp nguyên tử” và “điều khiển tia laser”.
Triển vọng:
- Nếu ra đời thành công, hệ thống “định vị bằng nguyên tử” sẽ giúp máy bay, tàu, xe… không bị gián đoạn dù GPS tê liệt.
- Tạo dựng mạng lưới đồng hồ quang học quốc gia, cung cấp “thời gian chuẩn” cho hạ tầng viễn thông, tài chính, điện lực.
- Mở ra khả năng thay đổi định nghĩa “giây” (theo lộ trình quốc tế), khi đồng hồ quang học chính xác hơn hẳn đồng hồ caesi.
Hệ quả sâu rộng: Mỗi bước cải tiến về chuẩn thời gian trong lịch sử đều kéo theo làn sóng ứng dụng bùng nổ. Đồng hồ của John Harrison giúp hành trình biển trở nên an toàn, thúc đẩy kinh tế toàn cầu thế kỷ 18-19. Việc chuẩn hóa giây theo nguyên tử caesi năm 1967 mở đường cho GPS, internet, liên lạc tốc độ cao suốt nửa sau thế kỷ 20. Giờ đây, “lượng tử hóa” cách ta đo thời gian có thể lại tạo nên cuộc cách mạng mới, từ viễn thông, tài chính đến vũ khí và vận tải.
Liệu cách mạng có đến kịp?
Đối với các nhà nghiên cứu, thách thức lớn là phải “sản xuất” được đồng hồ quang học di động đủ bền, rẻ và thực tiễn. Ta cũng không quên John Harrison phải bỏ cả đời mới chế ra dòng đồng hồ đi biển, và ban đầu ai cũng nghĩ ông sẽ thất bại. Thế kỷ 18, Isaac Newton cũng cho rằng “không thể giải được bài toán kinh độ bằng đồng hồ”. Nhưng Harrison, vốn chỉ là một thợ mộc và thợ đồng hồ khiêm tốn, đã chứng minh ngược lại.
Ngày nay, so với hành trình ba thế kỷ trước, có lẽ chúng ta còn dồi dào tài nguyên hơn: công nghệ laser, điện tử vi mạch, điện toán lượng tử,… Song, thời gian cũng gấp rút hơn: Một khi GPS đột ngột “chết” hoặc bị hack, hàng loạt lĩnh vực sẽ sụp đổ trong vòng vài giờ. Các vụ nhiễu GPS ở Lithuania, Đông Âu, Ukraine… là lời cảnh báo rõ ràng.
Mục tiêu trước mắt: Sớm dùng đồng hồ nguyên tử di động trên chiến trường và các phương tiện bay, ngăn bi kịch “mất GPS” tái diễn như với chuyến bay Ryanair. Còn mục tiêu dài hơi: Triển khai công nghệ này vào cơ sở hạ tầng quốc gia, dần dần thay thế tín hiệu vệ tinh. Quá trình này có thể đòi hỏi hàng chục năm, nhưng mỗi bước tiến đều giúp tăng độ an toàn cho kinh tế, quốc phòng và cuộc sống thường nhật.
Cuối cùng, có lẽ câu hỏi mấu chốt là: Liệu chúng ta có đủ nhanh nhẹn để đưa “đồng hồ nguyên tử di động” rời khỏi phòng thí nghiệm và trở thành “công cụ thương mại” trước khi nhiễu GPS lan rộng, hoặc xung đột toàn cầu khiến vệ tinh trở thành mục tiêu? Hành trình gian nan ấy gợi nhớ Harrison năm xưa, nhưng lần này chúng ta chạy đua với một mối đe dọa hiện hữu, nghiêm trọng và phức tạp hơn nhiều.
Hơn 300 năm sau cuộc cách mạng hàng hải, nhân loại đang hướng tới một thay đổi triệt để trong cách chúng ta đo thời gian và xác định vị trí. Từ phòng thí nghiệm NPL ở ngoại ô London đến những nhóm nghiên cứu tại DSTL và QEPNT, những “Time Lords” của thế kỷ 21 nỗ lực biến điều tưởng chừng bất khả thành hiện thực. Nếu họ thành công, chúng ta sẽ bước vào một kỷ nguyên mới, nơi tín hiệu GPS không còn là yếu tố “sống còn” – an ninh quốc gia, giao thông, viễn thông, tài chính đều vững vàng ngay cả khi sóng vệ tinh bị nhiễu. Đó là tương lai của “thời gian lượng tử”, vừa hứa hẹn vừa thách thức, và quyết định của nó có thể định hình ổn định toàn cầu trong nhiều thập kỷ tới.
