Учёные создали первый в мире лазерный квантовый радиоприёмник без антенн
Коллектив физиков из Варшавского университета создал первую в мире полностью оптическую радиосистему, питаемую исключительно лазерным светом. Это устройство, разработанное исследователями с физического факультета и из Центра квантовых оптических технологий, использует атомы Ридберга для обнаружения и декодирования радиоволн без применения металлических антенн или электрических цепей.
Данное достижение знаменует собой значительный прорыв в области квантовых сенсоров. Приёмник способен к самокалибровке, обнаружению слабых сигналов с высокой точностью и скрытной работе, используя лишь лучи света. Проектом, которым руководит доктор Михал Парняк, уже заинтересовались коммерческие структуры в рамках контракта с Европейским космическим агентством.
В современной коммуникации радиоволны переносят большую часть мирового цифрового трафика. Обычные приёмники полагаются на металлические антенны и электрические смесители для захвата этих сигналов. Варшавская команда заменила всю эту систему на атомы рубидия, помещённые в стеклянную ячейку и освещённые тремя сверхустойчивыми лазерами. Как пояснил доктор Михал Парняк, в экспериментах антенна и электронный смеситель были заменены на квантовую среду на основе атомарного пара, которая преобразует радиосигналы в световые импульсы.
Каждый лазерный луч точно соответствует квантовым энергетическим уровням атомов рубидия. В ответ электроны переходят на высокоэнергетические орбиты, известные как состояния Ридберга. Когда радиоволны проходят через ячейку, они слегка изменяют это атомное движение. Затем электроны возвращаются на более низкие орбиты и испускают слабый инфракрасный свет, который несёт в себе закодированный сигнал.
Команда также решила серьёзную техническую проблему, поддерживая идеальный ритм работы лазеров и атомов. Они использовали оптические резонаторы — вакуумные трубки с зеркалами, которые стабилизируют частоту света, подобно тому как органная труба удерживает музыкальную ноту. Эта система сохраняет движение электронов стабильным и позволяет точно определять амплитуду и фазу сигнала.
В отличие от традиционных антенн, лазерный приёмник не имеет металлических компонентов и не создаёт помех в радиополе, которое измеряет. Установке требуется лишь пар рубидия, лазеры и герметичный корпус. В будущем систему можно будет уменьшить до небольшого утолщения на оптическом волокне. Весь необходимый свет сможет проходить по волокну, в то время как инфракрасный сигнал будет возвращаться в противоположном направлении. Измерения тогда можно будет проводить в нескольких метрах от источника сигнала, что обеспечит скрытное и ненавязчивое обнаружение.
Такой уровень точности может изменить методы калибровки микроволновых полей. Это также может открыть дорогу новым применениям — от скрытых сенсоров до спутниковых квантовых приёмников. Исследователи из Варшавы совершенствовали методы обнаружения микроволн на основе атомов Ридберга в течение нескольких лет. Их технология выделяется самокалибровкой, высокой чувствительностью и потенциалом для миниатюризации. Эти качества привлекли внимание международных метрологических институтов, оборонных организаций и космических агентств.