Kwantowa antena radiowa

Zespół z Wydziału Fizyki oraz Centrum Optycznych Technologii Kwantowych Uniwersytetu Warszawskiego przy Centrum Nowych Technologii CeNT UW opracował nowy rodzaj całkowicie optycznego odbiornika radiowego, który opiera się na fundamentalnych własnościach atomów rydbergowskich. Nowy rodzaj odbiornika jest nie tylko niezwykle czuły, ale zapewnia też wewnętrzną kalibrację, a sama antena zasilana jest jedynie światłem laserowym. Wyniki prac, w których uczestniczyli Sebastian Borówka, Mateusz Mazelanik, Wojciech Wasilewski i Michał Parniak, opublikowano w prestiżowym czasopiśmie Nature Communications. Otwierają one nowy rozdział w technologicznym wdrażaniu sensorów kwantowych.

Układ eksperymentalny sterujący kwantową anteną radiową (fot. Michał Parniak, Uniwersytet Warszawski)

W pełni optyczna kwantowa antena radiowa – szklana komórka z rubidem zasilana laserami (fot. Michał Parniak, Uniwersytet Warszawski)

We współczesnym społeczeństwie w każdej sekundzie przekazywane są ogromne ilości cyfrowych informacji. Wiele z nich transmitowanych jest radiowo, czyli przy pomocy fal elektromagnetycznych. Od bardzo dawna do kodowania informacji wykorzystuje się amplitudę, wysyłając raz silniejsze, a raz słabsze fale. W nowszych protokołach zmieniamy także fazę fal, czyli opóźnienie ich drgania względem umówionego taktu. W każdym współczesnym nadajniku i odbiorniku montuje się precyzyjne metronomy, które określają takt służący do nadawania fal i ich dekodowania fachowo określa się to mianem detekcji superheterodynowej.

Informacja ukryta w falach
Technologie te można łatwo wyjaśnić przy pomocy analogii. Prof. Wojciech Wasilewski proponuje wyobrazić sobie odbieranie fal morskich: - Aby stojąc na plaży „odebrać” informacje zakodowane w falach, musielibyśmy zapisywać zarówno ich siłę, czyli jak głęboko wlewają się na brzeg, jak i oraz dokładne chwile, kiedy fale uderzają o ląd – mówi badacz. Podobnie jest z „nadawaniem” fal, wytwarzanych przy pomocy łyżeczki w filiżance herbaty. Gdybyśmy byli nadajnikiem WiFi, należałoby zanurzać łyżeczkę w miarowym rytmie w takt, który wybijają obwody kontrolne. Nie wykonywalibyśmy jednak ruchu natychmiast po każdym sygnale, lecz z niewielkim, zawsze jednakowym opóźnieniem. Co pewien czas – raz na kilka tysięcy cykli – zmienialibyśmy zarówno głębokość zanurzenia łyżeczki, jak i wspomniane opóźnienie, czyli część taktu, zgodnie z którym zanurzamy łyżeczkę. Tak uzyskalibyśmy modulację amplitudowo-fazową (QAM – quadrature amplitude modulation).

W praktyce do odbierania transmisji powszechnie używane są anteny metalowe, które przekierowują energię nadchodzących fal do odbiornika. Absorpcja energii umożliwia elektroniczny pomiar amplitudy i fazy fal. Pomiaru takiego dokonuje się współcześnie poprzez przemianę (mieszanie) częstotliwości. Sygnał elektryczny z anteny, który drga miliardy razy na sekundę (z częstotliwością gigahercową), jest kierowany do tzw. mieszaczy, które umożliwiają demodulację – przeniesienie amplitudy i fazy bardzo szybkich drgań na sygnały o mniejszej częstotliwości, drgające już tylko miliony razy na sekundę (z częstotliwością megahercową). Na tym etapie możliwe jest łatwe oddzielenie sąsiednich kanałów, których nie chce się akurat odbierać. Współczesna elektronika bez problemu dokonuje cyfrowego pomiaru napięcia kilkadziesiąt milionów razy na sekundę. Z tych pomiarów rekonstruuje się pełny przebieg drgań, a stąd, przy pomocy algorytmów cyfrowego przetwarzania sygnałów, ich amplitudę i fazę.

Zsynchronizowany taniec atomów
W naszych eksperymentach zastąpiliśmy antenę i elektroniczny mieszacz nowym medium – rodzajem sztucznej zorzy polarnej” – tłumaczy dr hab. Michał Parniak. W szklanej komórce, z której usunięto powietrze umieszczono opiłek rubidu. Z niego do wnętrza bańki ulatują pojedyncze atomy zaproszone do precyzyjnie zaplanowanego spektaklu.. Każdy atom rubidu ma jeden dość swobodny elektron, któremu narzucono skomplikowaną choreografię tańca wokół jądra i rdzenia złożonego z pozostałych 36 elektronów. Rolę muzyki w tym tańcu pełnią trzy różne lasery. Ich takt drgań jest ultraprecyzyjnie stabilizowany do możliwych częstotliwości wirowania elektronów w atomach rubidu, zgodnie z zasadami mechaniki kwantowej. Elektronom zagrano taką „melodię”, by spędzały wybrane części taktów laserowego tańca na bardzo, bardzo odległej orbicie – w tak zwanych stanach rydbergowskich. Na tych orbitach ich trajektoria bardzo łatwo zakrzywia się pod wpływem fal radiowych. Konkretnie, pod wpływem tych fal radiowych, które zgodne są z rytmem z laserowym tańcem. Każdy elektron w stanie rydbergowskim – wyniesiony na wysoką orbitę – nie może jednak przebywać tam dowolnie długo i ostatecznie musi spaść niczym satelita wyłączony z użytku. Elektrony odchylone falami radiowymi spadają inną trajektorią i emitują promieniowanie podczerwone inne niż użyte lasery, dzięki czemu łatwo je zarejestrować. Co najważniejsze, faza mikrofal odwzorowuje się w fazie emitowanej podczerwieni: jeśli fale radiowe „uderzały” wcześniej w ramach ustalonego taktu, to także elektrony spadają nieco wcześniej i wcześniej emitują promieniowanie.

Problemem, który rozwiązano w najnowszej publikacji, było zbudowanie układu do precyzyjnie miarowego dyrygowania laserami i tańcem elektronów, tak aby rytm ruchu elektronów nigdy nie zwalniał ani nie przyspieszał w niekontrolowany sposób. W tym celu użyto szeregu „metronomów”. Dla każdego lasera skonstruowano specjalną próżniową rurkę zakończoną bardzo dobrymi lustrami, w której światło odbija się kilka tysięcy razy. Taka rurka, zwana wnęką optyczną, niczym organowa piszczałka albo struna skrzypiec, wybiera wyłącznie drgania o określonej częstotliwości. W wykorzystanych tutaj rurkach drgają naraz dwa pola – stabilizowanego lasera oraz lasera wzorcowego, którego częstotliwość jest precyzyjnie elektronicznie uzgodniona z okresem najniższej orbity, po jakiej elektrony mogą obiegać jądro i rdzeń rubidu. Ponadto wykorzystano specjalny kryształ do mieszania częstotliwości, aby wytworzyć referencyjne promieniowanie podczerwone z użytych laserów. Kryształ nie jest czuły na mikrofale, dlatego też podczerwień, którą emituje, ma nieco inną częstotliwość niż ta, którą emitują atomy rubidu. Praktyczny pomiar wymaga użycia dodatkowego lasera wzorcowego, względem którego zmierzono podczerwień wyemitowaną z atomów, oraz referencyjną podczerwień z kryształu mieszającego. Taki względny pomiar – optyczna heterodyna – umożliwia uzyskanie amplitudy i fazy badanych pól. Z kolei z nich można bezpośrednio obliczyć amplitudę i fazę odbieranych mikrofal.

Niewykrywalne wykrywanie pól radiowych
W sercu zaprezentowanych eksperymentów, czyli w komórce z rubidem, nie ma metalowych, przewodzących prąd i silnie zaburzających fale radiowe elementów. Wszystko, czego potrzeba do konwersji fal radiowych na podczerwień, to opary rubidu, szczelna obudowa i lasery. W przyszłości detektor będzie mógł mieć postać zaledwie zgrubienia na światłowodzie, przy pomocy którego dostarczone zostaną wszystkie potrzebne lasery, jak również odebrane promieniowanie podczerwone, wysyłane w przeciwnym kierunku w światłowodzie. Ostateczne pomiary i korekcja będą przeprowadzone nawet kilkadziesiąt metrów z dala od pól radiowych, dzięki czemu możliwe będzie niezwykle dyskretne, nieinwazyjne mierzenie i odbieranie pola radiowego.Wynalazek ten może nieść ze sobą poważne konsekwencje dla technik precyzyjnej kalibracji pól mikrofalowych. Dzięki nieinwazyjnym pomiarom możliwe będzie zarejestrowanie słabych pól bez ich jednoczesnego zaburzania metalową anteną. Można również wyobrazić sobie doskonałe ukrycie takiego sensora mikrofalowego działającego jako podsłuch. W odróżnieniu od obecnie dostępnej elektroniki byłby on znacznie trudniejszym do wykrycia odbiornikiem wszelkich transmisji radiowych. Naukowcy w Centrum Optycznych Technologii Kwantowych i na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego od kilku lat zajmują się projektowaniem i demonstrowaniem w praktyce nowych protokołów wykrywania pól mikrofalowych z wykorzystaniem atomów rydbergowskich. Zespołowi udaje się przesuwać i znosić techniczne bariery oraz opracowywać nowe metody detekcji oferowane przez te rewolucyjne urządzenia. Naukowcy współuczestniczą w poszukiwaniu zastosowań dla tej nowej technologii, wskazując na łatwość kalibracji, wysoką czułość i dokładność pomiarów, oraz perspektywę miniaturyzacji urządzeń. Szybko postępujący rozwój technologiczny przyciąga zainteresowanie zagranicznych i międzynarodowych agencji standaryzacji pomiarów, instytutów wojskowych oraz agencji kosmicznych, planujących w przyszłości umieszczać rydbergowskie sensory na satelitach. Od początku 2025 r. zespół pod kierownictwem dr. hab. Michała Parniaka komercjalizuje również tę technologię w projekcie wykonywanym na zlecenie Europejskiej Agencji Kosmicznej.Projekt "Optyczne Technologie Kwantowe" (FENG.02.01-IP.05-0017/23) jest realizowany w ramach działania 2.1 Międzynarodowe Agendy Badawcze Fundacji na rzecz Nauki Polskiej współfinansowanego przez Unię Europejską ze środków 2. Priorytetu Programu Fundusze Europejskie dla Nowoczesnej Gospodarki 2021–2027 (FENG). Badania są też jednym z centralnych wyników projektu SONATA17 finansowanego ze środków Narodowego Centrum Nauki.

Szklana komórka z rubidem – miniaturowa antena przyszłości (fot. Michał Parniak, Uniwersytet Warszawski)

PUBLIKACJA NAUKOWE:

KONTAKT:

POWIĄZANE STRONY WWW:

MATERIAŁY GRAFICZNE: