Российские ученые предложили концепцию устройств радиосвязи нового поколения, в которых в качестве сверхчувствительной антенны используется атомный газ. Он состоит из атомов Ридберга, обладающих высокой восприимчивостью к электромагнитному излучению. Такие «квантовые антенны» способны улавливать даже крайне слабые сигналы, а также так называемые закрученные радиоволны, передающие больший объем информации по сравнению с обычными. Разработка может лечь в основу компактных раций, навигационных и поисковых устройств, предназначенных для работы в сложных условиях — под завалами, под землей или на значительной глубине под водой.
Как атомы становятся сверхчувствительными
Физики Томского государственного университета разработали схему радиоприемников будущего — с новым способом детектирования сигналов. Так, в качестве сверхчувствительной антенны ученые предложили стеклянные колбы с атомным паром — газом из отдельных сильно возбужденных атомов. По мнению исследователей, в перспективе такие устройства позволят улавливать даже самые слабые сигналы. В том числе в сложных условиях — например, глубоко под землей или под водой. В будущем они могут повысить надежность связи для спасателей, шахтеров, спелеологов и подводников. Об этом «Известиям» рассказали в Минобрнауки РФ.
Фото: РИА Новости/Антон Вергун
В основе нового устройства — так называемые ридберговские атомы. Они отличаются тем, что один из электронов в них находится на очень далекой орбите — в тысячи раз дальше, чем в обычном состоянии. Это достигается посредством воздействия лазера, сообщили разработчики. В результате получаются «гигантские» атомы, которые становятся чрезвычайно восприимчивы к электромагнитным волнам и реагируют на самые слабые сигналы. Помещенные в колбу, они превращаются в сверхчувствительные радиоприемники.
— Такие устройства, помимо прочего, позволяют улавливать закрученные радиоволны. Они обладают необычной «геометрией» — их фаза колебаний закручивается вокруг направления движения, формируя спираль. За счет орбитального углового момента закрученные радиоволны могут переносить больше информации, используя его как дополнительную степень свободы для кодирования данных, — рассказал «Известиям» инженер-исследователь лаборатории теоретический и математической физики и младший научный сотрудник лаборатории анализа данных физики высоких энергий Физического факультета ТГУ Петр Королев.
Закрученные радиоволны, пояснил собеседник, потенциально позволяют передавать несколько независимых потоков данных на одной частоте. Подобные принципы рассматриваются в мире при разработке новых стандартов связи, включая технологии так называемого 7G, которые могут прийти на смену современным системам. Кроме того, каждая новая ступень закрутки может использоваться как отдельный канал, что позволит размещать несколько каналов на одной частоте
Фото: пресс-служба ТГУ
Также специалисты рассматривают атомы Ридберга в виде сенсоров в приборах для зондирования недр, сообщил ученый. Эти устройства смогут «нащупать» подземные объекты на большой глубине с точностью до нескольких сантиметров. Подобные измерения, к примеру, важны для точной оценки запасов полезных ископаемых или для поиска археологических объектов.
До сих пор развитие этих идей сдерживало отсутствие компактных и универсальных детекторов, уточнил Петр Королев. Сама «антенна» с атомным паром представляет собой кубик размером в несколько сантиметров, но лазерные установки занимают много места. Поэтому разработки существуют только в виде лабораторных версий. Однако предложенные схемы, возможно, помогут сделать прорыв.
— В последние годы атомы Ридберга применяют для разработки прототипов квантовых радиоприемников, — пояснил соавтор исследования Владислав Рякин. — В типичной схеме их помещают в стеклянные ячейки и освещают лазерами. Закрученная волна возбуждает в атомах особые квантовые состояния, которые можно детектировать. Например, измерив потери света при его прохождении через ячейку, можно восстановить параметры радиосигнала.
Фото: Global Look Press/Olaf Döring/imagebroker.com
По его словам, теоретически передача нескольких независимых потоков данных на одной несущей частоте поможет решить проблему перегруженности эфира и распределения частот. Кроме того, особая геометрия закрученных волн усложняет кодировку сигналов, что делает перехват информации более затруднительным.
Как улучшить связь под землей и водой
— Исследование представляет собой слияние квантовой физики и классической радиотехники нового уровня. В ходе работы по предложенной схеме были представлены два возможных типа устройств. Дальнейшая работа в этом направлении будет способствовать созданию компактных сенсоров для анализа сложных радиосигналов и новых систем связи, — считает один из авторов разработки, профессор кафедры квантовой теории поля физического факультета ТГУ Петр Казинский.
Например, увеличенная плотность передачи данных позволит точнее управлять робототехникой в шахтах или под водой и получать больше телеметрии от них, уточнил он.
Фото: Global Look Press/Deng Hua/XinHua
— Использование атомов Ридберга для детекторов радиоволн — развитое направление, и уже созданы коммерческие прототипы. В России также ведутся аналогичные разработки. Кроме того, ридберговские атомы применяются для кубитов в атомных квантовых компьютерах в МГУ. Детектирование волн с орбитальным моментом атомными ансамблями тоже разработано, — рассказал «Известиям» научный директор Российского квантового центра Алексей Акимов.
Томские коллеги свели воедино имеющиеся знания и на этой основе предложили принципиальную схему детекторов. Идея интересная, но о конкретных изделиях говорить рано, пояснил он.
— Сейчас орбитальный момент света — сфера интереса ученых. Но практические задачи для них тоже могут возникать. Например, в оптике такие пучки используют для сверхчувствительных интерферометров и получения изображений сверхвысокого разрешения. Что-то подобное можно сделать и в микроволновом диапазоне. Тем не менее до серийных изделий еще далеко, и нужно немало усилий, чтобы развить идею до реальных решений, — добавил он.
Разработки в области подводной связи остаются востребованными. Однако использование электромагнитных волн в привычных для радио- или оптической связи диапазонах сталкивается с физическим ограничением: в соленой воде они почти не распространяются на значительные расстояния сообщил «Известиям» старший научный сотрудник лаборатории техники подводных исследований и испытаний Института океанологи имени П.П. Ширшова РАН Дмитрий Ильинский.
Фото: РИА Новости/Виталий Аньков
Поэтому, по его словам, любые предложения применять «новые электромагнитные эффекты» требуют детальной проверки в реальных экспериментах. На сегодня единственный надежный и физически обоснованный метод подводной связи — это гидроакустика, подчеркнул эксперт.
— Физики предложили теорию, которая позволяет описать свойства двух схем детекторов закрученных радиоволн, основанных на атомах Ридберга. Работа представляет синтез оптических и радиочастотных методов. Это объединение сопряжено со сложностями, связанными с разницей в энергиях квантовых структур, что требует разных измерительных техник, — пояснил сотрудник Казанского квантового центра, доцент кафедры Казанского национального исследовательского технического университета имени А.Н. Туполева — КАИ Максим Смирнов.
Тем не менее теория интересна не только с точки зрения детектирования радиосигналов сложной структуры, но и как пример новых методов управления атомными системами с помощью структурированных радиоволн, добавил он.
Автор: Андрей Коршунов
Заглавное фото: Global Look Press/Bernd Weißbrod/dpa
