Новая эра для коммуникаций: квантовая оптическая антенна, которая переопределяет радио

Исследователи Варшавского университета разработали полностью оптическую квантовую антенну, способную обнаруживать микроволновые сигналы без использования металлических компонентов, используя атомы рубидия в возбужденных состояниях Ридберга.

Эта технология позволяет напрямую преобразовывать фазу и амплитуду электромагнитных волн в инфракрасные излучения, исключая традиционный этап электронной обработки и уменьшая шум системы.

От микроволнового к оптическому с квантовой точностью

Согласно статье, опубликованной в Nature Communications, антенна состоит из стеклянной ячейки, заполненной паром рубидия, которая контролируется тремя лазерными лучами, точно настроенными по частоте. Эти лучи вызывают переход электронов в сильно возбужденные состояния (Rydberg), где они становятся чрезвычайно чувствительными к микроволновым полям.

Когда радиоволна воздействует на систему, электроны в состоянии Ридберга изменяют свою орбиту и, расслабляясь, излучают инфракрасное излучение, фаза которого повторяет фазу оригинальной волны. Таким образом, электромагнитный сигнал <<translated>> в оптическую область, позволяя проводить точные измерения фазы и амплитуды без нарушения оригинального поля.

Ключевое преимущество этого дизайна заключается в том, что он не использует проводящие металлы или смешивающие цепи. Вместо этого система использует оптические резонаторы (<<cavidades ópticas=“”>>) для стабилизации лазерных пучков и синхронизации квантового излучения, достигая высокой чувствительности внутренней калибровки.

Исследователи даже предполагают миниатюризацию квантовой антенны для интеграции в оптоволокно, так как лазеры и инфракрасное обнаружение могут питаться удаленно. Это позволит создавать компактные и незаметные датчики для пространственного мониторинга или в условиях с экстремальными условиями.

Преимущества перед традиционным радио и технические проблемы, которые необходимо решить

Этот подход преодолевает ограничения традиционных систем, основанных на металлических антеннах и электронных смешивателях (супергетеродинах), устраняя необходимость в локальном осцилляторе для смешивания сигналов и уменьшая источники шума и искажений.

Кроме того, отсутствие металлических элементов позволяет проводить неперебойные измерения, способные обнаруживать слабые сигналы, не нарушая электромагнитное поле, что делает квантовую антенну революционной альтернативой классической радио.

Тем не менее, основная проблема заключается в поддержании строгого контроля над лазерами и оптическими резонаторами для сохранения квантовой когерентности между атомным состоянием и захваченной волной. Также потребуется валидация в реальных условиях, с шумом, интерференцией и изменениями окружающей среды.

Робастность системы еще должна быть продемонстрирована в практических сценариях, но потенциал огромен: невидимые квантовые сенсоры, космическая связь и высокоточная метрология могут напрямую извлечь выгоду из этой технологии.

К операционному квантовому радио

Квантовая антенна на основе состояний Ридберга может открыть новую эру, в которой радио не будет зависеть от металлов или классической электроники, а будет основываться на квантовой когерентности и высокоточной оптике.

Ее способность обеспечивать неинвазивное обнаружение, внутреннюю калибровку и потенциал миниатюризации делает ее идеальным кандидатом для спутников, датчиков скрытого наблюдения или чувствительных научных приложений.

Хотя переход от лаборатории к оперативному использованию будет связан со значительными проблемами, эта инновация открывает возможность полностью переопределить то, как мы захватываем, обрабатываем и измеряем электромагнитные сигналы в будущем.</cavidades></traslada>