Физики из Национального института стандартов и технологий США (NIST) и команда инженеров из оборонной компании RTX разработали инновационный прототип радара, основанный на принципах квантовых сенсоров. В отличие от традиционных систем, в которых радиоволны регистрирует металлическая антенна, новая технология использует крошечное облако атомов цезия, помещённое в стеклянную колбу, в качестве чувствительного элемента. Эта концепция представляет собой шаг вперёд в области квантовых измерительных приборов, предлагая новые возможности для подповерхностной съёмки, поиска коммуникационных линий, исследований в археологии и даже геологоразведки. Несмотря на то, что технология находится в стадии прототипа и ещё требует доработки, её потенциал уже очевиден.
Основное отличие устройства — использование атомов, переведённых в состояние Ридберга, в качестве приёмника радиоволн. В процессе подготовки лазеры “раздувают” атомы цезия до размеров, превышающих их обычный радиус примерно в 10 000 раз, чтобы повысить чувствительность. Когда радиоволны приходят в контакт с этими атомами, они вызывают изменение распределения электронов вокруг ядра, что фиксируется через сдвиг цвета излучаемого света — это обеспечивает широкополосное и точное определение положения объектов без необходимости перестроек аппаратуры. Этот метод позволяет регистрировать широкий диапазон частот, что крайне важно для разнообразных областей применения.
Испытания устройства проводились в специально экранированной комнате, наполненной радиопоглощающими материалами, чтобы исключить внешние помехи. В рамках тестов прототип обнаруживал металлические объекты, такие как медные пластины, стальные трубы и металлические стержни, расположенные на расстоянии до 5 метров, с точностью около 4,7 сантиметра. Эти результаты впечатляют, учитывая, что текущий прототип ещё находится на стадии экспериментальной проверки.
Разработчики отмечают перспективы дальнейшего упрощения устройства: стеклянная колба с атомами может стать настолько миниатюрной, что её размер составит всего около сантиметра. Такое уменьшение габаритов значительно снизит объём металлических конструкций, делая систему более компактной и удобной для внедрения в реальных условиях. По словам физика Мэттью Саймонса, это открывает возможности для создания переносных и автономных квантовых радаров, что ранее было сложно представить.
Главным достижением команды считается интеграция атомного приёмника в единую систему, которая обладает высокой устойчивостью и стабильностью. Использование атомов цезия, идентично настроенных в состоянии Ридберга, обеспечивает исключительную точность и меньшую потребность в частой калибровке — в отличие от обычных радарных систем, чувствительных к температурным и механическим колебаниям. Такие свойства делают квантовые сенсоры особенно привлекательными для задач, где требуется высокая надёжность и точность измерений.
Квантовые сенсоры, основанные на атомах цезия, имеют ряд достоинств. Они используют свойства фундаментальных физических констант, что гарантирует их стабильность и устойчивость ко внешним воздействиям. Важное преимущество заключается в том, что каждый атом цезия — это идеальный, редкий и неизменный наноресурс, что значительно снижает необходимость частой перенастройки и калибровки системы. В то же время, технологии, применяемые в квантовых радарах, уже находят применение в области квантовых вычислений и передач данных, где атомы-кубиты используются для хранения и обработки информации на сверхточном уровне.
Несмотря на успехи, новая технология ещё не готова к коммерческому внедрению. Для этого необходимо повысить чувствительность системы к очень слабым сигналам, что включает усовершенствование покрытия и изоляции стеклянной колбы, а также улучшение методов обработки данных. В будущем, с улучшением характеристик и увеличением устойчивости, такой радар сможет найти применение в разнородных отраслях — от поиска подземных коммуникаций и геологических исследований до спасательных операций и археологических раскопок, где важно обнаруживать объекты на глубине и с высокой точностью.
Подводя итог, можно сказать, что создание квантового радара на основе атомов цезия — это знаковый прорыв в области спектроскопии и дистанционных измерений. Несмотря на то, что до массового внедрения ещё далеко, данный проект подтверждает, что квантовые технологии начинают проникать в практическое применение и могут радикально изменить подходы к решению задач, связанных с обнаружением и локализацией объектов на различных глубинах и в сложных условиях. В будущем развитие таких устройств откроет новые горизонты в области науки и техники, сделав исследования более точными, компактными и многофункциональными.