Физики из Национального института стандартов и технологий США (NIST) совместно с оборонным подрядчиком RTX создали прототип радара нового типа, в котором отражённые радиоволны регистрирует не металлическая антенна, а крошечное облако атомов цезия в стеклянной колбе. Эта технология относится к квантовым сенсорам — приборам, использующим свойства квантовых систем для измерений. Разработка ещё далека от коммерческого применения, но уже демонстрирует потенциал для подповерхностной съёмки — от поиска коммуникаций и бурения скважин до археологических раскопок.
Как и обычный радар, устройство посылает радиоволны, которые отражаются от объектов, а затем фиксирует задержку возвращённого сигнала, чтобы определить их местоположение. Главное отличие — в приёмнике: роль антенны выполняют атомы, переведённые в состояние Ридберга. Для этого лазеры «раздувают» атомы цезия до размеров, примерно в 10 000 раз превышающих их обычный радиус. Радиоволны, попадая на такие атомы, меняют распределение электронов вокруг ядра. Лазерное зондирование фиксирует эти изменения через сдвиг цвета излучаемого атомами света. Такой метод позволяет регистрировать широкий диапазон частот без перестройки аппаратуры.
В тестах квантовый радар установили в экранированном помещении с радиопоглощающими «шипами» на стенах, полу и потолке. Передатчик и приёмник на основе атомов Ридберга наводили на медную пластину, стальные трубы и металлический стержень, расположенные на расстоянии до 5 метров. Прибор смог определить их положение с точностью до 4,7 см.
Разработчики отмечают, что в будущем радар можно сделать существенно компактнее — сама стеклянная колба с атомами может иметь размер всего около сантиметра. По словам физика Мэттью Саймонса (NIST), это позволит отказаться от громоздких металлических конструкций приёмников в ряде специализированных задач.
Главное достижение команды — интеграция атомного приёмника с остальной частью системы в более компактной и устойчивой конфигурации по сравнению с предыдущими экспериментами. Подобные сенсоры уже тестируют для измерения радиочастот в автомобильных чипах и для оценки влажности почвы.
Преимущество квантовых сенсоров — стабильность. Каждый атом цезия идентичен и имеет неизменную структуру, которая определяется фундаментальными константами. Это снижает необходимость частой калибровки, в отличие от обычных радаров. Кроме того, компоненты, используемые в квантовых радарах, перекликаются с разработками в области квантовых компьютеров: Ридберговские атомы уже применяются как кубиты, а некоторые методы, например квантовая коррекция ошибок, находят применение и в сенсорах.
Хотя новая система не заменит все виды радаров, она может занять нишу там, где важны компактность и способность работать в разных диапазонах без перестройки. Для этого предстоит повысить чувствительность к слабым сигналам, в частности улучшив покрытия колбы.