Физики из Национального института стандартов и технологий США (NIST) в сотрудничестве с оборонным предприятием RTX разработали инновационный прототип радара, основанный на принципах квантовых технологий. Этот новый тип радара существенно отличается от традиционных устройств тем, что вместо металлической антенны использует крошечное облако атомов цезия, заключённое в стеклянную колбу. Данная технология принадлежит к классу квантовых сенсоров — устройств, использующих уникальные свойства квантовых систем для получения высокоточных измерений. В то время как разработка ещё не готова к коммерческому внедрению, её потенциал очевиден, особенно в области подповерхностной разведки. Такой радар способен значительно повысить точность поиска коммуникационных каналов, изучения геологических слоёв, проведения археологических раскопок и даже в сферах безопасности.
Классическая схема работы радара заключается в том, что он посылает радиоволны, которые отражаются от объектов и возвращаются назад с задержкой, позволяющей определить их расположение. Главная инновация — в использовании атомов цезия, переведённых в состояние Ридберга, в качестве приёмника радиосигнала. Для этого лазеры создают особое состояние атомов, расширяя их размер примерно в десять тысяч раз. Когда радиоволны попадают на такие атомы, они вызывают изменения в электронной структуре атомов. Эти изменения фиксируются через изменение цвета излучения, что позволяет на очень широком диапазоне частот обнаруживать отражённые сигналы без необходимости перенастраивания устройств.
В рамках проведения экспериментов прототип был установлен в специально экранированной лабораторной комнате, защищённой радиопоглощающими материалами. При этом длина дистанции до объектов достигала до пяти метров, включая медные пластины, стальные трубы и металлические стержни. Радар успешно определил их точное расположение с ошибкой всего около 4,7 сантиметров, что свидетельствует о высокой чувствительности системы. Эти достижения позволяют с уверенностью говорить о перспективности данной технологии для более длительных и сложных операций.
В будущем разработчики планируют значительно упростить конструкцию устройства: сама стеклянная колба с атомами может иметь размеры всего около сантиметра, что сделает радар более компактным и мобильным. Важной особенностью является возможность интеграции атомного приёмника в компактную систему, что ранее было затруднительно из-за размеров и нестабильности аппаратуры. По словам ведущего физика Мэттью Саймонса, это откроет двери для применения таких радаров в сфере автомобильной навигации, геологоразведки, поисках мин и других задачах, где важна portability и высокая точность.
Кроме того, интеграция атомных сенсоров с современными системами позволяет повысить их стабильность и долговечность. Атомы цезия, являясь идентичными и имея неизменную структуру, автоматически уменьшают необходимость регулярной калибровки. Это существенно отличается от работы обычных радаров, которые требуют постоянной настройки из-за изменений в компонентах. Интересно, что идея использования квантовых сенсоров активно развивается не только в радиотехнике, но и в области квантовых вычислений: атомы Ридберга применяются в квантовых компьютерах как кубиты, а методы квантовой коррекции ошибок находят применение в обеспечении точных измерений.
Несмотря на уже достигнутые результаты, новая система пока не способна полностью заменить существующие радары. Однако она может занять весьма важную нишу — например, в тех случаях, когда требуется высокая точность, компактность и возможность работы в различных радиочастотных диапазонах без частой перенастройки. Чтобы повысить чувствительность радара к слабым сигналам, ученым нужно продолжать совершенствовать покрытие стеклянных колб, что позволит расширить диапазон применений системы и повысить её универсальность.
В целом, развитие квантовых сенсоров и радаров на их основе открывает новые горизонты в области точных измерений и разведки. Объединение квантовых технологий с радиолокацией создаст инструменты с невиданной ранее точностью и устойчивостью. Это особенно важно в современном мире, где требования к безопасности, точности и мобильности оборудования постоянно растут. Так что, возможно, уже в ближайшем будущем такие технологии найдут своё применение в гражданской, оборонной и научной сферах, позволяя получать уникальные данные с невиданной ранее точностью и в самых сложных условиях.
