Физики из Национального института стандартов и технологий США (NIST) в сотрудничестве с оборонным подрядчиком RTX разработали инновационный прототип радара, использующий совершенно новые принципы регистрации отражённых радиоволн. В отличие от традиционных устройств, где для приёма сигнала применяется металлическая антенна, этот радар использует крошечное облако атомов цезия, помещённое в стеклянную колбу, в качестве квантового сенсора. Эта технология входит в категорию квантовых сенсоров — приборов, базирующихся на уникальных свойствах квантовых систем, таких как суперпозиции и запутанность, которые позволяют достигать необычайной точности измерений. Несмотря на то, что прототип ещё далёк от коммерческого внедрения, его потенциал впечатляет: устройство способно осуществлять съёмку под поверхностью земли — от поиска скрытых коммуникационных линий и бурых скважин до археологических раскопок и разведки минералов.
Основная концепция работы этого радара схожа с принципами стандартных систем: он посылает радиоволны, которые отражаются от объектов, а затем через приёмник фиксируется задержка возвращённого сигнала. Однако ключевое отличие заключается в использовании атомов цезия, переведённых в особое состояние, называемое состоянием Ридберга. В процессе лазерного зондирования атомы цезия “раздувают” до размеров, примерно в 10 000 раз превышающих их обычный радиус — это позволяет им очень чувствительно реагировать на внешние электромагнитные возмущения. Радиоволны, взаимодействуя с этими атомами, меняют распределение электронов вокруг их ядер. Лазерный анализ снимает изменения посредством фиксации сдвигов цвета испускаемого атомами света, что обеспечивает возможность регистрации широкого спектра радиочастотных сигналов без необходимости перестройки аппаратуры.
Для тестирования установленный в лаборатории квантовый радар был помещён в специально экранированное помещение с радиопоглощающими элементами на стенах, полу и потолке. В ходе экспериментов передатчик и приёмник, основанные на атомах Ридберга, наводили на металлические цели, расположенные на расстоянии до 5 метров, — медную пластину, стальные трубы и металлический стержень. В результате устройство с высокой точностью — до 4,7 сантиметров — определило точное положение объектов, что демонстрирует его впечатляющие возможности.
Планы разработчиков включают дальнейшее уменьшение размера системы: стеклянная колба с атомами по сути может быть выполнена минимальных размеров около одного сантиметра. По словам ведущего физика Мэттью Саймонса из NIST, это позволит отказаться от громоздких металлических конструкций в ряде приложений, таких как подповерхностная разведка или мобильные системы дизайна. Создаваемая компактность повысит мобильность и удобство использования этого типа радаров в полевых условиях, а также позволит интегрировать их в различную технику.
Главное достижение команды — успешная интеграция атомного приёмника в более устойчивую и компактную систему по сравнению с предыдущими прототипами. Это открывает дорогу для использования такой технологии в широком спектре задач: от измерения радиочастот в автомобильных чипах и системах связи до мониторинга состояния земли и прогнозирования погодных условий по влажности почвы. Одним из заметных преимуществ квантовых сенсоров является их стабильность — атомы цезия, являющиеся эталонами в системах измерений, имеют неизменную структуру, определяемую фундаментальными константами природы. Поэтому такие сенсоры практически не требуют регулярной калибровки, что значительно повышает их надёжность при длительной эксплуатации.
Кроме того, компоненты и методы, используемые в квантовых радарах, сходны с разработками в области квантовых вычислений: атомы Ридберга выступают в роли квантовых битов (кубитов), а технологии квантовой коррекции ошибок активно применяются для повышения точности и надёжности измерений. Это синхронное развитие двух технологических направлений — квантовых сенсоров и квантовых компьютеров — открывает новые перспективы для обеих отраслей.
Несмотря на уже достигнутые результаты, новая система всё ещё нуждается в дальнейших усовершенствованиях. В частности, необходимо повысить чувствительность к слабым сигналам за счёт улучшения покрытия колбы и повышения эффективности взаимодействия атомов с радиоволнами. Также планируется развитие более масштабных и мощных источников радиосигналов, что позволит расширить диапазон обнаружения и повысить точность определения объектов. В будущем, благодаря прогрессу в области квантовых технологий, подобные радары смогут занимать важную нишу в области высокоточных наземных, морских и воздушных систем разведки и мониторинга, а также в научных исследованиях.
Разработки в этой области не только обещают революцию в радиолокации, но и предоставляют возможность создавать более компактные и точные приборы для самых разных задач. Внедрение квантовых сенсоров в коммерческую и оборонную сферы может существенно расширить возможности получения информации о скрытых и труднодоступных объектах, повысить точность геолокации и обеспечить более эффективное использование радиочастотного спектра. В целом, развитие этого направления может стать ключевым этапом на пути к созданию новых высокотехнологичных систем, объединяющих принципы квантовой физики и радиотехники.
