Nowa przełomowa technologia? Polscy fizycy opracowali superczułe radio

W dzisiejszych czasach jesteśmy otoczeni falami radiowymi oraz mikrofalami. Standardowe anteny, choć skuteczne w urządzeniach codziennego użytku, mogą generować własne szumy zakłócające odbiór słabych sygnałów. Dlatego w sytuacjach wymagających precyzyjnego pomiaru, takich jak eksperymenty kwantowe czy radioastronomia, mogą być bardziej przeszkodą niż pomocą. Tam, gdzie tradycyjne anteny zawodzą, z pomocą przychodzi radio na atomach, które opracowali polscy fizycy.

Jak to działa? "Mikrofale delikatnie zmieniają stan atomów rubidu, a lasery zamieniają te zmiany w czytelny sygnał. Taki odbiornik jest superczuły i wyjątkowo cichy dla otoczenia" - informuje serwis PAP "Nauka w Polsce". Takie radio powstało właśnie w laboratoriach Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego.

Zespół naukowców pod przewodnictwem dr. hab. Michała Parniaka z Uniwersytetu Warszawskiego w składzie: Sebastian Borówka, Mateusz Mazelanik, Wojciech Wasilewski znaleźli sposób na zbudowanie radia, które potrafi usłyszeć bardzo słabe sygnały - takie, które zwykłe odbiorniki w ogóle by nie zauważyły. Opisali to recenzowanym artykule w "Nature Communications".

O tym, że polscy fizycy są w samej czołówce świadczą dokonania prof. Michała Parniaka, który w 2016 r. jeszcze jako doktorant, wraz ze swoim zespołem, stworzył najszybszą pamięć kwantową znaną ludzkości, trzy razy szybszą od chińskiej. Teraz, oprócz nowych projektów, naukowiec buduje sensor kwantowy dla Europejskiej Agencji Kosmicznej. Efekty badań, które prowadzi, dają szansę m.in. na superbezpieczne przesyłanie danych i dokładniejsze prognozy pogody.

Jak dokładnie działa takie radio? Atom, odpowiednio przygotowany, może działać jak pojedyncza antena. Polscy fizycy połączyli specjalne atomy (tzw. Rydbergowskie) z mikrofalami i światłem, żeby stworzyć odbiornik, który działa tylko optycznie - czyli bez klasycznej anteny. Dzięki temu urządzenie prawie nie zakłóca sygnału i nie psują go nawet bardzo silne fale. Zwykle, żeby takie "optyczne radio" było bardzo czułe, trzeba dodać własne źródło mikrofal. To jednak niszczy ideę pomiaru opartego wyłącznie na świetle. W tym badaniu przedstawiono nowy sposób, który nadal działa tylko optycznie, a jednocześnie zachowuje wysoką czułość.

Największym problemem był szum laserów. Naukowcy rozwiązali go tak, że mierzą ten szum osobno, a komputer usuwa go w czasie rzeczywistym.

"Aby wyeliminować szum fazowy lasera, który ma kluczowe znaczenie w tym podejściu, wykonujemy jednoczesny pomiar szumu za pomocą procesu nieliniowego i korygujemy go w czasie rzeczywistym poprzez przetwarzanie danych. Daje to poprawę stosunku sygnału do szumu o 35 dB w porównaniu z metodą podstawową" - opisują naukowcy w artykule.

W laboratoriach Uniwersytetu Warszawskiego, pary rubidu są oświetlane laserami, które ustawiają atomy w odpowiednim stanie. Zmiany w natężeniu i fazie przepuszczanych wiązek laserowych pozwalają na odczytanie sygnałów mikrofalowych bez potrzeby własnego źródła mikrofal. Polscy fizycy dowiedli, że detektor działa stabilnie dla bardzo słabych sygnałów mikrofalowych (3,5 mV/cm przy 13,9 GHz) i potrafi odbierać dane przesyłane nowoczesną modulacją. To dowód, że można wykrywać mikrofale w bardzo precyzyjny sposób, zachowując wszystkie zalety całkowicie optycznego odbiornika.

Dzięki temu technologia ta jest zdolna do odbioru słabych mikrofal, dotąd nieosiągalnych dla zwykłych odbiorników. Badania polskich naukowców wykazały, że może ona odbierać kodowane dane podobne do tych używanych we współczesnych systemach telekomunikacyjnych.

Radia na atomach mają potencjał do zastosowania tam, gdzie potrzebne jest precyzyjne pomiarowanie sygnałów bez wprowadzania dodatkowych zakłóceń. Mogą przydać się więc w laboratoriach pracujących nad komputerami kwantowymi, w kontroli jakości bardzo szybkiej elektroniki, czy w miniaturowych radarach w autonomicznych pojazdach, a kiedyś może i do radioastronomii, która nasłuchuje najdrobniejszych szmerów z kosmosu.