Нова ера комунікацій: квантова оптична антена, що переосмислює радіо

Дослідники Варшавського університету розробили повністю оптичну квантову антену, здатну виявляти мікрохвильові сигнали без використання металевих компонентів, використовуючи атоми рубідію в збуджених станах Рідберга.

Ця технологія дозволяє безпосередньо перетворювати фазу та амплітуду електромагнітних хвиль у інфрачервоні випромінювання, усуваючи традиційний етап електронного змішування та зменшуючи шум системи.

Від мікрохвиль до оптичних з точною квантовою точністю

Згідно зі статтею, опублікованою в Nature Communications, антена складається зі скляної камери, заповненої парою рубідію, яка контролюється трьома точно налаштованими лазерними променями. Ці промені викликають те, що електрони займають високо збуджені стани (Rydberg), де вони стають надзвичайно чутливими до мікрохвильових полів.

Коли радіохвиля впливає на систему, електрони в стані Рідберга модифікують свою орбіту і, повертаючись до попереднього стану, випромінюють інфрачервоне випромінювання, фаза якого повторює фазу оригінальної хвилі. Таким чином, електромагнітний сигнал <<transladado>> в оптичну область, що дозволяє виконувати точні вимірювання фази та амплітуди без порушення оригінального поля.

Ключовим досягненням цього дизайну є те, що він не використовує провідні метали або змішувальні схеми. Натомість система використовує оптичні резонатори (<<cavidades оптичні=“”>>) для стабілізації лазерних пучків і синхронізації квантового випромінювання, досягаючи внутрішньої калібрування з високою чутливістю.

Дослідники навіть прогнозують мініатюризацію квантової антени для інтеграції в оптоволокно, оскільки лазери та інфрачервоне виявлення можуть харчуватися віддалено. Це дозволить створити компактні та дискретні сенсори для космічного моніторингу або в умовах з екстремальними умовами.

Переваги перед звичайним радіо та технічні виклики, які потрібно вирішити

Цей підхід перевершує обмеження традиційних систем, заснованих на металевих антенах та електронних змішувачах (супергетеродинах), усуваючи необхідність у локальному осциляторі для змішування сигналів і зменшуючи джерела шуму та спотворення.

Крім того, відсутність металевих елементів дозволяє проводити неперешкоджувальні вимірювання, здатні виявляти слабкі сигнали без зміни електромагнітного поля, що позиціонує квантову антену як революційну альтернативу класичній радіо.

Проте основна проблема полягає в підтримці суворого контролю за лазерами та оптичними резонаторами для збереження квантової когерентності між атомним станом та захопленою хвилею. Також буде необхідна валідація в реальних умовах, з шумом, перешкодами та змінними умовами середовища.

Робустність системи ще має бути продемонстрована в практичних сценаріях, але потенціал величезний: невидимі квантові сенсори, космічні комунікації та просунута метрологічна калібрування можуть безпосередньо виграти від цієї технології.

До функціонального квантового радіо

Квантова антена на основі станів Рідберга може відкрити нову еру, в якій радіо не залежатиме від металів чи класичної електроніки, а від квантової когерентності та оптики високої точності.

Її здатність забезпечувати неінвазивне виявлення, внутрішню калібрування та потенціал мініатюризації робить її ідеальним кандидатом для супутників, датчиків дискретного спостереження або чутливих наукових застосувань.

Хоча перехід з лабораторії до експлуатаційного використання передбачає значні виклики, ця інновація відкриває можливість повністю перепроектувати те, як ми захоплюємо, обробляємо та вимірюємо електромагнітні сигнали в майбутньому.</cavidades></traslada>