Физики из Национального института стандартов и технологий США (NIST) в сотрудничестве с оборонным предприятием RTX разработали инновационный прототип радарной системы, которая использует принцип работы на основе квантовых сенсоров — устройств, применяющих уникальные свойства квантовых систем для точных измерений. В отличие от традиционных радаров, где для обнаружения отражённых радиоволн используется металлическая антенна, новая разработка опирается на использование крошечных облаков атомов цезия, размещённых внутри стеклянной колбы. Такой подход обеспечивает более тонкую чувствительность и расширенные возможности обнаружения объектов и структур под поверхностью.
Основное отличие новой системы — это приёмник, в роли которого выступают атомы цезия, переведённые в особое квантовое состояние, известное как состояние Ридберга. Для этого лазеры используют для «раздувания» атомов до сверхбольших размеров — примерно в 10 000 раз превосходящих их обычный радиус. Взаимодействие радиоволн с такими атомами вызывает изменение распределения электронов вокруг ядра атома, что фиксируется с помощью лазерных зондирований посредством сдвига цвета излучаемого света. Таким образом, система способна регистрировать широкий диапазон частот без необходимости перенастройки аппарата, что повышает его универсальность.
В ходе тестов новая квантовая радарная установка была размещена в специально экранированной комнате с радиопоглощающими материалами на стенах, полу и потолке, что предотвратило побочные сигналы и помехи. В эксперименте, при котором прибор был направлен на металлические объекты, такие как медная пластина, стальные трубы и металлический стержень, расположенные на расстоянии до 5 метров, радар смог достоверно определить их положение с точностью до 4,7 сантиметра. Это свидетельствует о высокой чувствительности системы, а также о её потенциале применяться в самых разнообразных областях.
Представители команды разработчиков отмечают, что в перспективе устройство можно значительно уменьшить по размеру, сделав стеклянную колбу диаметром около сантиметра. Такой миниатюризации способствуют новые материалы и инженерные решения, что позволит отказаться от громоздких металлических антенн и приёмников. Мэттью Саймонс, ведущий научный сотрудник NIST, подчеркивает, что это откроет новые возможности для применения подобных систем в области подповерхностной разведки, поиска коммуникационных каналов и даже археологических исследований.
Главное достижение команды — это не только создание компактного и устойчивого к внешним помехам атомного приёмника, но и его интеграция с остальной системой в более лёгкую и передаваемую конструкцию. В настоящее время такие сенсоры проходят тестирование для измерения радиочастот в автомобильных электронных системах, а также для оценки влажности почвы, что подтверждает их многофункциональность.
Преимущества квантовых сенсоров обусловлены их высокой стабильностью и однородностью атомов цезия — каждое такое ядро обладает неизменными фундаментальными свойствами, что значительно снижает необходимость частых калибровок. В отличие от традиционных радаров, где параметры могут со временем смещаться, новые системы основаны на постоянных фундаментальных константах, что обеспечивает значительно более высокую точность и надёжность измерений.
Кроме того, эти разработки находят пересечения с технологиями квантовых вычислений, поскольку атомы Ридберга уже используют в качестве кубитов, а методы квантовой коррекции ошибок применяются в построении устойчивых сенсорных систем. В будущем такие квантовые радары смогут выполнять сложные задачи, включая обнаружение слабых сигналов в условиях высокой помеховой обстановки, что важно для военных и гражданских приложений.
Несмотря на значительный прогресс, автономных решений ещё ждёт ряд усовершенствований — необходимо повысить чувствительность к очень слабым сигналам, а также обеспечить долговременную стабильность системы. Например, покрытие колбы специальными материалами или применение новых методов охлаждения атомов поможет повысить её эффективность. В целом, внедрение таких технологий обещает революцию в области подповерхностной разведки, геологоразведки и археологии, предоставляя возможность получать точные данные даже в наиболее сложных условиях.