Polskie radio atomowe słyszy rzeczy, których nie słychać. „Zalążek nowej potężnej technologii”

Antena z pojedynczych atomów zamiast drutu. Polskie radio atomowe słyszy sygnały, które w zwykłej elektronice giną w szumie.

Zespół z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego zbudował prototyp radia, w którym rolę odbiornika pełnią wzbudzone atomy rubidu, a elektronikę zastępują lasery. Taki układ potrafi nasłuchiwać wyjątkowo słabych mikrofal, sam prawie niczego nie emitując w otoczenie.

Od miedzianej anteny do anteny z pojedynczego atomu

Zwykłe radio działa według znanego schematu: metalowa antena zamienia fale radiowe na prąd, a kolejne stopnie elektroniki wzmacniają i analizują sygnał. W telefonie czy routerze to wystarcza, ale tam, gdzie liczą się absolutnie minimalne zakłócenia, np. obok komputerów kwantowych albo czułych radioteleskopów, każdy dodatkowy przewód i każdy wzmacniacz staje się problemem. Polscy badacze poszli w zupełnie inną stronę. Zamiast budować jeszcze bardziej wyrafinowaną antenę z metalu, użyli pojedynczych atomów jako maleńkich, ekstremalnie czułych uszu dla mikrofal. Informację o tym, co taki atom usłyszał, od początku przenoszą w świecie światła, a nie elektroniki.

Podstawą nowego odbiornika są tzw. atomy Rydberga, czyli takie, w przypadku których jeden elektron został wybity na bardzo odległą orbitę. Taki obiekt robi się ogromny jak na skalę atomową i zaczyna silnie reagować na choćby bardzo słabe pola elektryczne, w tym na mikrofale. Jak to działa? Do szklanej komórki wkłada się parę rubidu i oświetla kilkoma laserami. Część wiązek przygotowuje atomy w odpowiednim, silnie wzbudzonym stanie, a wąska wiązka sondy przechodzi przez opary na wylot.

Gdy do komórki dociera sygnał mikrofalowy z zewnątrz, zmienia się sposób, w jaki wzbudzone atomy pochłaniają i przepuszczają światło sondy. Detektor optyczny rejestruje te subtelne różnice, które odpowiadają informacjom zakodowanym w fali mikrofalowej – dokładnie tak, jak w klasycznym radiu odczytuje się modulację sygnału. Co ważne, sam odbiornik nie potrzebuje lokalnego generatora mikrofal w detektorze. Odniesienie, które w klasycznych systemach zapewnia własny oscylator, tutaj dostarczają stabilnie dobrane wiązki laserowe. Układ nasłuchuje, nie dokładając dodatkowego gadania w eterze.

Po co komu tak czułe i ciche radio?

Jak czytamy na łamach Nauka w Polsce, nowy odbiornik potrafi wychwycić mikrofale znacznie słabsze niż te, z którymi radzą sobie typowe systemy. Nie odbiera ono jedynie prostego tonu – badacze pokazali, iż układ rozumie realistycznie kodowane dane, przypominające te z nowoczesnych sieci telekomunikacyjnych. To dowód na to, iż nie mamy do czynienia z czystą ciekawostką, ale z zalążkiem technologii, którą można będzie w przyszłości realnie wykorzystać.

Takie radio na atomach idealnie wpisuje się w potrzeby laboratoriów pracujących nad komputerami kwantowymi, ultraszybką elektroniką czy miniaturowymi radarami. Pozwala mierzyć sygnał bez wprowadzania do otoczenia dodatkowego hałasu, który mógłby zaburzyć delikatne eksperymenty. Oczywiście do momentu, gdy radio na atomach trafi do seryjnej produkcji, minie jeszcze sporo czasu. Już teraz widać jednak, iż wykorzystanie atomów Rydberga i światła laserowego pozwala zbudować odbiornik o parametrach nieosiągalnych dla klasycznych anten i elektroniki.

*Źródło zdjęcia wprowadzającego: Richi McWallace / Shutterstock.com