Физики из Национального института стандартов и технологий США (NIST) в сотрудничестве с оборонным подрядчиком RTX разработали инновационный прототип радара, который использует совершенно новый подход к регистрации радиоволн. В отличие от традиционных радарных систем, где роль приёмника выполняет металлическая антенна, этот радар основан на применении крошечного облака атомов цезия внутри стеклянной колбы. Эта технология — часть сферы квантовых сенсоров, приборов, использующих уникальные свойства квантовых систем для проведения высокоточных измерений. Хотя разработка находится на стадии тестирования и еще далека от коммерческого внедрения, она уже демонстрирует огромный потенциал, особенно в области подповерхностной съёмки, что актуально для поиска коммуникаций, гидрологических исследований, бурения скважин и археологических раскопок.
Технология функционирует по принципу, сходному с обычным радаром: устройство отправляет радиоволны, которые отражаются от объектов и возвращаются к приёмнику. Главное отличие — в использовании атомов, переведённых в особое состояние — состояние Ридберга, в роли приёмника радиосигнала. Для этого лазеры “раздувают” атомы цезия в колбе до размеров, примерно в 10 000 раз превышающих их естественный радиус. Когда радиоволны попадают на эти расширенные атомы, они вызывают изменение распределения электронов вокруг ядра, что фиксируется лазерным зондированием. Это изменение проявляется в сдвиге цвета излучаемого атомами света, что позволяет точно определить частоты радиосигналов и, следовательно, расположение объектов в пространстве. Эта методика обеспечивает регистрацию широкого диапазона частот без необходимости перестройки аппаратуры, что существенно повышает универсальность устройства.
В ходе лабораторных испытаний квантовый радар был установлен в специально созданных экранированных условиях с радиопоглощающими материалами на стенах, полу и потолке. Передатчик и приёмник, основанные на атомах Ридберга, наводили на металлические объекты, такие как медные пластины и стальные трубы, расположенные на расстоянии до пяти метров. Устройство успешно определило их местоположение с точностью до 4,7 сантиметров, что демонстрирует его высокую чувствительность и потенциал для точных геолокационных задач.
Разработчики отмечают, что в будущем размеры этого радарного устройства могут быть значительно уменьшены — сама стеклянная колба с атомами вполне может иметь размер всего около одного сантиметра. По словам руководителя проекта, физика Мэттью Саймонса, это позволит отказаться от громоздких металлических антенн и повысит мобильность и удобство использования системы в разных условиях.
Главным достижением команды считается успешная интеграция атомного приёмника с остальной частью системы в компактное, устойчивое решение по сравнению с предварительными экспериментами. На сегодняшний день такие квантовые сенсоры уже находят применение в измерениях радиочастот в автомобильных чипах, а также в аграрных и гидрологических исследованиях для определения влажности почвы. Их преимущество — высокая стабильность и низкая необходимость в частой калибровке, поскольку атомы цезия имеют четкую и неизменную структуру, определяемую фундаментальными константами.
Преимущества квантовых сенсоров связаны также с пересечением технологий с областью квантовых вычислений. Атомы Ридберга выступают в роли кубитов, а методы квантовой коррекции ошибок, развиваемые в цифровых квантовых системах, нашли своё применение и в области квантовых сенсоров. Это свидетельствует о междисциплинарной синергии и открывает новые горизонты не только для сферы измерений, но и для технологического развития в целом.
Несмотря на то, что новая система еще не готова к массовому применению, она представляет собой важный шаг к созданию компактных, многофункциональных и очень точных радиолокационных устройств, способных функционировать в различных диапазонах частот без серьезных настроек. В дальнейшем предстоит усилить чувствительность к слабым сигналам, что предполагает усовершенствование покрытий колбы и использование более чувствительных элементов. Такой прогресс позволит использовать квантовые радары в более широком спектре задач — от разведки и безопасности до научных исследований и гражданской обороны — открывая новые возможности для технологий будущего.
