Vedci z Fyzikálnej fakulty, Centra nových technológií a Centra kvantových optických technológií Varšavskej univerzity vyvinuli nový typ plne optického rádiového prijímača založeného na základných vlastnostiach Rydbergových atómov. Výsledky štúdie, na ktorej sa podieľali Prof. Wojciech Wasilewski, Prof. Michał Parniak, Dr. Mateusz Mazelanik a Sebastian Borówka, boli publikované v časopise „Nature Communications“. Výskum predstavuje novú kapitolu v technologickej implementácii kvantových senzorov.

Nový typ prijímača je nielen mimoriadne citlivý, ale poskytuje aj vnútornú kalibráciu a samotná anténa je napájaná len laserovým svetlom.

Synchronizované atómy

Na príjem vysielania sa bežne používajú kovové antény, ktoré presmerujú energiu prichádzajúcich vĺn do prijímača. Absorpcia energie umožňuje elektronické meranie amplitúdy a fázy vĺn. V súčasnosti sa toto meranie vykonáva konverziou (miešaním) frekvencií. Elektrický signál z antény, ktorý kmitá miliardy krát za sekundu (na gigahertzovej frekvencii), sa vedie do tzv. zmiešavačov, ktoré umožňujú demoduláciu – prevod amplitúdy a fázy veľmi rýchlych kmitov na signály s nižšou frekvenciou, ktoré kmitajú len milióny krát za sekundu (na megaherzovej frekvencii).

Ako výskumníci uvádzajú vo svojich experimentoch, anténu a elektronický mixér nahradili novým médiom – akousi umelou polárnou žiarou. Kúsok rubídia umiestnili do sklenenej bunky, z ktorej dôkladne odčerpali vzduch. Potom sa z kúska rubídia uvoľnili atómy a vleteli do sklenenej bunky. Potom boli zapojené do starostlivo naplánovaného predstavenia. Každý atóm rubídia má jeden celkom voľný elektrón, ktorý je podrobený zložitej choreografii „tanca“ okolo atómového jadra a jadra zloženého zo zvyšných 36 elektrónov. Ako „hudba v tomto tanci“ pôsobia tri rôzne lasery. Ich frekvencia kmitania je veľmi presne stabilizovaná na možné frekvencie elektrónov obiehajúcich v atómoch rubídia, ako to určujú zákony kvantovej mechaniky. Elektróny „počujú“ takú „melódiu“, že vybrané časti laserových „tanečných úderov“ strávia na veľmi vzdialených obežných dráhach – v takzvaných Rydbergových stavoch. Na týchto dráhach sa ich trajektória veľmi ľahko zakrivuje mikrovlnami. Konkrétne rádiovými vlnami, ktoré sú v „rytme“ s prehrávanou laserovou „melódiou“. Každý elektrón v Rydbergovom stave – vyzdvihnutý na vysokú obežnú dráhu – tam však nemôže zostať donekonečna a nakoniec musí spadnúť ako vyradená družica. Elektróny ovplyvnené rádiovými vlnami padajú po inej trajektórii a vyžarujú iné infračervené žiarenie ako lasery, čo uľahčuje ich detekciu. Najdôležitejšie je, že fáza mikrovĺn sa odráža vo fáze emitovaného infračerveného žiarenia: ak rádiové vlny „udreli“ skôr v rámci stanoveného cyklu, elektróny tiež padajú o niečo skôr a emitujú žiarenie skôr.

Úlohou, ktorá bola vyriešená v najnovšej publikácii, bolo vytvoriť systém na presné riadenie laserov a „tanca“ elektrónov tak, aby sa „rytmus“ pohybu elektrónov nikdy nekontrolovane nespomalil alebo nezrýchlil. Na tento účel sa použila séria „metronómov“. Pre každý laser bola skonštruovaná špeciálna vákuová trubica zakončená veľmi kvalitnými zrkadlami, pomocou ktorých sa svetlo odrazilo niekoľko tisíc krát. Takáto trubica, nazývaná optická dutina, podobne ako „organová píšťala“ alebo „husľová struna“, vyberá len vibrácie určitej frekvencie. V tu použitých trubiciach vibrujú súčasne dve polia – stabilizovaný laser a referenčný laser, ktorého frekvencia je presne elektronicky prispôsobená perióde najnižšej obežnej dráhy, v ktorej môžu elektróny obiehať okolo jadra a jadra rubídia. Okrem toho sa na miešanie frekvencií používa špeciálny kryštál, ktorý vytvára referenčné infračervené žiarenie z použitých laserov. Kryštál nie je citlivý na mikrovlny, takže infračervené žiarenie, ktoré vyžaruje, má mierne odlišnú frekvenciu od tej, ktorú vyžarujú atómy rubídia. Praktické meranie si vyžadovalo použitie ďalšieho referenčného lasera, na základe ktorého sa meralo infračervené žiarenie vyžarované atómami a referenčné infračervené žiarenie zo zmiešavacieho kryštálu. Takéto relatívne meranie – optický heterodyn – umožnilo získať amplitúdu a fázu skúmaných polí. Tie sa zasa dajú použiť na priamy výpočet amplitúdy a fázy prijatých mikrovĺn.

V jadre prezentovaných experimentov, t. j. v rubídiovom článku, sa nenachádzajú žiadne kovové prvky, ktoré by viedli elektrinu a silne rušili rádiové vlny. Všetko, čo je potrebné na premenu rádiových vĺn na infračervené žiarenie, sú pary rubídia, uzavretý kryt a lasery. V budúcnosti by mohol mať detektor podobu obyčajného zahustenia na optickom vlákne, cez ktoré sa budú dodávať všetky potrebné lasery, ako aj prijaté infračervené žiarenie, vysielané opačným smerom v optickom vlákne. Konečné merania a korekcie sa budú vykonávať aj niekoľko desiatok metrov od rádiových polí, čo umožní mimoriadne diskrétne, neinvazívne meranie a príjem rádiového poľa.

Tento vynález môže mať vážne dôsledky pre techniky presnej kalibrácie mikrovlnných polí. Vďaka neinvazívnym meraniam bude možné zaznamenávať slabé polia bez toho, aby ich súčasne rušila kovová anténa.

Výskum Rydbergových atómov

Vedci z Fyzikálnej fakulty UK, Centra nových technológií (CeNT UW) a Centra pre kvantové optické technológie už niekoľko rokov navrhujú a demonštrujú nové protokoly na detekciu mikrovlnných polí pomocou Rydbergových atómov. Tímu sa darí prekonávať technické prekážky a vyvíjať nové metódy detekcie, ktoré tieto revolučné zariadenia ponúkajú. Vedci sa podieľajú na hľadaní aplikácií pre túto novú technológiu, pričom poukazujú na jej jednoduchú kalibráciu, vysokú citlivosť a presnosť merania a perspektívu miniaturizácie zariadení. Od začiatku roka 2025 sa tím pod vedením profesora Michala Parniaka venuje aj komercializácii tejto technológie v rámci projektu, ktorý si objednala Európska vesmírna agentúra.

zdroj: https: //en.uw.edu.pl/quantum-radio-antenna/#:~:text=Micha%C5%82%20Parniak%2C%20Dr%20Mateusz%20Mazelanik,thoroughly%20pumped%20out%20of%20air.