Zespół z Wydziału Fizyki oraz Centrum Optycznych Technologii Kwantowych opracował nowy rodzaj całkowicie optycznego odbiornika radiowego, który opiera się na fundamentalnych własnościach atomów rydbergowskich, czyli takich, w których przynajmniej jeden elektron został wzbudzony do wysokiego poziomu energetycznego. Nowy rodzaj odbiornika jest nie tylko niezwykle czuły, ale zapewnia też wewnętrzną kalibrację, a sama antena zasilana jest jedynie światłem laserowym. Wyniki prac, które opublikowano w prestiżowym czasopiśmie "Nature Communications", otwierają nowy rozdział w technologicznym wdrażaniu czujników kwantowych.
We współczesnym społeczeństwie w każdej sekundzie wokół nas 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 - w żargonie technicznym określa się to mianem detekcji superheterodynowej.
Technologie te można łatwo wytłumaczyć przy pomocy analogii. Prof. Wojciech Wasilewski sugeruje wyobrazić sobie odbieranie fal morskich: aby stojąc na plaży odebrać informacje zakodowane w falach, należy notować zarówno siłę fal - jak głęboko wlewają się na plażę - oraz dokładne chwile uderzenia fal o brzeg. Podobnie jest z "nadawaniem" fal przy pomocy łyżeczki w filiżance herbaty: gdybyśmy byli nadajnikiem WiFi, to łyżeczkę należałoby zanurzać w rytmie miarowym, w takt, który wybijają obwody kontrolne. Nie należałoby jednak działać od razu na każde ich zawołanie, tylko z opóźnieniem, za każdym razem dokładnie takim samym. Raz na kilka tysięcy okresów trzeba by zmienić głębokość oraz opóźnienie - 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.
Jak tłumaczy dr hab. Michał Parniak, "w naszych eksperymentach zastąpiliśmy antenę i elektroniczny mieszacz nowym medium - rodzajem sztucznej zorzy polarnej". W szklanej, dokładnie opróżnionej z powietrza komórce umieszczono opiłek rubidu, z którego uwalniają się i wylatują do wnętrza bańki atomy. Zaprzęgnięto je następnie do starannie zaplanowanego przedstawienia. 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, określonych instrumentarium praw mechaniki kwantowej. Elektronom zagrano taką "melodię", aby spędziły 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 mikrofal. Konkretnie, pod wpływem tych fal radiowych, które zgodne są co do rytmu z granym 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.
Wyzwaniem, które rozwiązano w pracy będącej przedmiotem 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.
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, w którego pracach uczestniczą Sebastian Borówka, Mateusz Mazelanik i Wojciech Wasilewski, komercjalizuje również tę technologię w projekcie wykonywanym na zlecenie Europejskiej Agencji Kosmicznej.
Badania były jednym z centralnych wyników projektu SONATA17 finansowanego ze środków Narodowego Centrum Nauki.
Artykuł powstał na podstawie materiałów Centrum Optycznych Technologii Kwantowych na Uniwersytecie Warszawskim.