عصر جديد للاتصالات: الهوائي الكمومي البصري الذي يعيد تعريف الراديو

قام باحثون من جامعة وارسو بتطوير هوائي كمي ضوئي بالكامل قادر على اكتشاف إشارات الميكروويف دون استخدام مكونات معدنية، باستخدام ذرات الروبيديوم في حالات مثارة من ريدبرغ.

تسمح هذه التقنية بتحويل المرحلة والسعة لموجات الكهرومغناطيسية مباشرة إلى انبعاثات تحت الحمراء، مما يلغي مرحلة الخلط الإلكترونية التقليدية ويقلل من ضوضاء النظام.

من الميكروويف إلى البصري بدقة كمية

وفقًا للمقال المنشور في Nature Communications، تتكون الهوائي من خلية زجاجية مليئة ببخار الروبيديوم، يتم التحكم فيها بواسطة ثلاثة أشعة ليزر متناسقة بدقة. هذه الأشعة تحفز الإلكترونات لتشغل حالات مثارة بشدة (Rydberg)، حيث تصبح حساسة للغاية لحقول الميكروويف.

عندما تصطدم موجة راديو بالنظام، يقوم الإلكترونات في حالة ريدبرغ بتعديل مداراتها، وعند استرخائها، تصدر إشعاعًا تحت الأحمر تكون مرحلته مكررة لتلك الخاصة بالموجة الأصلية. وبهذه الطريقة، يتم <<tحويل>> الإشارة الكهرومغناطيسية إلى المجال البصري، مما يسمح بإجراء قياسات دقيقة للمرحلة والسعة دون إزعاج المجال الأصلي.

تقدم رئيسي في هذا التصميم هو أنه لا يستخدم المعادن الموصلية أو دوائر الخلط. بدلاً من ذلك، يستخدم النظام رنانات بصرية (<<فراغات بصرية=“”>>) لاستقرار أشعة الليزر وتزامن الانبعاث الكمي، مما يحقق معايرة داخلية بحساسية عالية.

يتوقع الباحثون حتى تصغير الهوائي الكمي لدمجه في الألياف الضوئية، حيث يمكن أن تتغذى الليزر والكشف بالأشعة تحت الحمراء عن بُعد. سيسمح ذلك بإنشاء مستشعرات مدمجة وخفية لمراقبة الفضاء أو في بيئات ذات ظروف قاسية.

مزايا مقارنة بالراديو التقليدي والتحديات التقنية التي يجب حلها

يتميز هذا النهج بتجاوز القيود المفروضة على الأنظمة التقليدية المعتمدة على الهوائيات المعدنية والم mixers الإلكترونية (superheterodinos)، من خلال القضاء على الحاجة إلى مذبذب محلي لخلط الإشارات وتقليل مصادر الضجيج والتشويه.

علاوة على ذلك، فإن غياب العناصر المعدنية يسمح بإجراء قياسات غير مضطربة، قادرة على اكتشاف الإشارات الضعيفة دون تغيير المجال الكهرومغناطيسي، مما يضع الهوائي الكمي كبديل ثوري مقابل الراديو الكلاسيكي.

ومع ذلك، يكمن التحدي الرئيسي في الحفاظ على السيطرة القصوى على الليزر والتجاويف البصرية للحفاظ على التماسك الكمي بين الحالة الذرية والموجة الملتقطة. سيكون من الضروري أيضًا إجراء تحقق في البيئات الحقيقية، مع الضوضاء والتداخل والتغيرات البيئية.

لا يزال يجب إثبات متانة النظام في السيناريوهات العملية، ولكن الإمكانات هائلة: يمكن أن تستفيد أجهزة الاستشعار الكمية غير المرئية، والاتصالات الفضائية، والمعايرة المترولوجية المتقدمة من هذه التكنولوجيا بشكل مباشر.

نحو راديو كمي تشغيلي

يمكن أن يفتتح الهوائي الكمي القائم على حالات ريدبرغ عصرًا جديدًا حيث لا تعتمد الراديو على المعادن أو الإلكترونيات الكلاسيكية، بل على التماسك الكمي والبصرية عالية الدقة.

إن قدرتها على تقديم الكشف غير الجراحي ، والمعايرة الداخلية ، وإمكانية التصغير تجعلها مرشحًا مثاليًا للأقمار الصناعية وأجهزة الاستشعار للمراقبة الخفية أو التطبيقات العلمية الحساسة.

على الرغم من أن الانتقال من المختبر إلى الاستخدام التشغيلي سيواجه تحديات كبيرة، فإن هذه الابتكار يفتح المجال لإعادة تعريف كيفية التقاط ومعالجة وقياس الإشارات الكهرومغناطيسية في المستقبل.</cavidades></traslada>