Naukowcy z Wydziału Fizyki oraz Centrum Optycznych Technologii Kwantowych przy Centrum Nowych Technologii CeNT UW opracowali nowy rodzaj odbiornika radiowego. Całkowicie optyczny, niezwykle czuły, zapewniający wewnętrzną kalibrację, z anteną zasilaną jedynie światłem laserowym. To otwarcie nowego rozdziału w technologicznym wdrażaniu sensorów kwantowych.
We współczesnym społeczeństwie w każdej sekundzie przekazywane są ogromne ilości cyfrowych informacji. Wiele transmitowanych jest radiowo, za pomocą fal elektromagnetycznych.
Do kodowania informacji wykorzystuje się amplitudę, wysyłając raz silniejsze, a raz słabsze fale. Zmienia się także fazę fal, czyli opóźnienie ich drgania względem umówionego taktu. W każdym nadajniku i odbiorniku montowane się precyzyjne metronomy, które określają takt służący do nadawania fal i ich odczytywania.
Informacja ukryta w falach
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 poprzez przemianę, czyli 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 oddzielenie kanałów, których nie chcemy odbierać – współczesna elektronika bez problemu mierzy cyfrowo napięcie kilkadziesiąt milionów razy na sekundę. Z tych pomiarów rekonstruuje się pełny przebieg drgań, a stąd, za pomocą algorytmów cyfrowego przetwarzania sygnałów, ich amplitudę i fazę.
W pełni optyczna kwantowa antena radiowa – szklana komórka z rubidem zasilana laserami. Fot. Michał Parniak, Uniwersytet Warszawski
Kontrolowany taniec atomów
– W naszych eksperymentach zastąpiliśmy antenę i elektroniczny mieszacz nowym medium – rodzajem sztucznej zorzy polarnej – tłumaczy dr hab. Michał Parniak, fizyk z Centrum Optycznych Technologii Kwantowych przy Centrum Nowych Technologii CeNT UW.
W szklanej komórce, z której usunięto powietrze umieszczony został opiłek rubidu. Z niego do wnętrza bańki ulatują pojedyncze atomy. 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 częstotliwości wirowania elektronów w atomach rubidu, zgodnie z zasadami mechaniki kwantowej.
Elektronom zagrano taką „melodię”, by spędzały 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 fal radiowych – zgodnych z rytmem laserowego tańca. Każdy elektron wyniesiony na tę wysoką orbitę nie może jednak przebywać tam dowolnie długo, musi spaść. Elektrony odchylone falami radiowymi spadają inną trajektorią i emitują promieniowanie podczerwone inne niż użyte lasery, dzięki czemu łatwo je zarejestrować.
Badacze zbudowali taki układ, aby rytm ruchu elektronów nie zwalniał ani nie przyspieszał w niekontrolowany sposób. Jak? Użyli „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, wybiera wyłącznie drgania o określonej częstotliwości – niczym organowa piszczałka.
W wykorzystanych rurkach drgają naraz dwa pola – stabilizowanego lasera oraz lasera wzorcowego, którego częstotliwość jest precyzyjnie uzgodniona z okresem najniższej orbity, po jakiej elektrony mogą obiegać jądro i rdzeń rubidu.
Aby wytworzyć referencyjne promieniowanie podczerwone z użytych laserów, badacze wykorzystali specjalny kryształ do mieszania częstotliwości. Kryształ nie jest czuły na mikrofale, dlatego 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 umożliwia uzyskanie amplitudy i fazy badanych pól. Z kolei z nich można bezpośrednio obliczyć amplitudę i fazę odbieranych mikrofal.
Co było wyzwaniem?
To właśnie lasery referencyjne były największym wyzwaniem. Nowo tworzony układ musiał mieć jakąś referencję, czyli układ odniesienia – były nim lasery.
– Wyzwaniem jest to, że lasery robią dużo więcej szumu. Mamy już całkowicie optyczny odbiornik, ale lasery robią szum. Tego szumu było 100 000 razy za dużo – mówi fizyk. Znaleźli jednak rozwiązanie problemu.
– Wymyśliliśmy, że zamiast redukować szum, po prostu go zmierzymy i odejmiemy przy pomocy układu elektronicznego. Użyliśmy zewnętrznego, specjalnego, opracowanego przez nas układu pomiaru szumu laserów, który dokładnie mierzył, jaki mają szum i pozwolił go usunąć z właściwego sygnału – wyjaśnia badacz.
Trochę jak w słuchawkach, tzw. noise cancelling headphones, których działanie polega nie tylko na tym, że nas izolują od szumu i go redukują, tylko z jednej strony mierzą go mikrofonem, a w środku podają nam w pewnym sensie jego przeciwieństwo tak, aby szum wykasować.
Dlaczego użyto rubidu?
– W eksperymentach, w których chcemy precyzyjnie kontrolować stany atomów, najłatwiej jest kontrolować jeden elektron. Oczywiście, jest tylko jeden atom, który ma jeden elektron, to wodór. Ale w tym przypadku jest niekorzystny. Wystarczająco dobre są elementy z pierwszej grupy okresowej pierwiastków – mają jeden elektron walencyjny, jak gdyby oddzielony od pozostałych. Tu jednak pojawia się kolejne pytanie – o właściwości fizyczne. Skoro musimy pracować z pojedynczymi atomami, to nie mogą być one w formie ciała stałego, jak „kawałek metalu”, muszą być odparowane – tłumaczy badacz.
– Im niżej idziemy w układzie okresowym, tym te ciała stałe mają coraz niższe temperatury topnienia. Rubin i cez bardzo intensywnie parują w temperaturze pokojowej, bardzo szybko się utleniają. W atmosferze nie są stabilne. Ale jeśli zamkniemy je w komórce próżniowej, to w temperaturze pokojowej albo po niewielkim podgrzaniu, otrzymujemy opary pojedynczych atomów, które możemy łatwo kontrolować. Wybór rubidu – lub cezu – wynika z rozważenia właściwości, które są nam potrzebne w eksperymencie – wyjaśnia prof. Michał Parniak.
To właśnie dzięki właściwościom rubidu można osiągnąć efekt, który naukowiec nazywał „rodzajem sztucznej zorzy polarnej”. Ta „zorza” to opary atomów, które wzbudzane są laserami tak, że świecą.
Szklana komórka z rubidem – miniaturowa antena przyszłości. Fot. Michał Parniak, Uniwersytet Warszawski
Niewykrywalne wykrywanie pól
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 zgrubienia na światłowodzie, za pomocą 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 mierzenie i odbieranie pola radiowego.
Publikacja i badania naukowców z UW wzbudziły duży międzynarodowy oddźwięk. A co z użyciem rozwiązania w praktyce? Pól jest dużo.
– Ten sensor jest trudniejszy do wykrycia niż sensor elektroniczny. Potencjalnie da się go zbudować tak, że będzie całkowicie niewykrywalny. A przede wszystkim ma ogromny potencjał, by być odpornym na atak elektromagnetyczny – mówi prof. Parniak.
Wynalazek może znaleźć zastosowanie w precyzyjnej kalibracji pól mikrofalowych. Mógłby zostać wbudowany w stacje bazowe, które komunikują się z tysiącem telefonów komórkowych. Taki mikrosensor może doskonale działać jako podsłuch. W odróżnieniu od obecnie dostępnej elektroniki byłby znacznie trudniejszym do wykrycia odbiornikiem wszelkich transmisji radiowych. W planach jest umieszczanie rydbergowskich sensorów także na satelitach.
Czytaj więcej na: serwisnaukowy.uw.edu.pl
dr hab. Michał Parniak pracuje na Wydziale Fizyki oraz w Centrum Optycznych Kwantowych Technologii UW, jest szefem grupy Quantum Optical Devices Lab 2020. Jego główne zainteresowania badawcze to metrologia wspomagana kwantowo, protokoły obrazowania i komunikacji z wykorzystaniem hybrydowych platform eksperymentalnych, w tym optomechanika kwantowa, systemy wnękowe, zespoły zimnych i gorących atomów (w szczególności atomy Rydberga) oraz wielomodowe systemy fotoniczne w trybie pojedynczego fotonu.
Materiał Partnera
