Физики из Национального института стандартов и технологий США (NIST) совместно с оборонным подрядчиком RTX представили инновационный прототип радара, использующего принцип квантовых сенсоров. В основе этой разработки лежит уникальная технология, которая позволяет регистрировать отражённые радиоволны не при помощи традиционной металлической антенны, а с помощью крошечного облака атомов цезия, заключённого в стеклянную колбу. Этот прорыв в области квантовых технологий открывает новые горизонты для радиолокации и подповерхностных исследований.
Обычные радары работают по принципу передачи радиоволн и определения положения объектов по времени задержки возвращённого сигнала. Однако в новом устройстве роль приёмника выполняют атомы цезия, переведённые в состояние Ридберга — особое энергетическое состояние, чувствительное к радиосигналам. Для этого лазеры при помощи метода оптоволоконного зондирования приводят атомы к увеличенным в размерах состояниям — примерно в 10 000 раз больше их обычных размеров. Попадая на такие атомы, радиоволны вызывают изменения в распределении электронов вокруг ядра, что фиксируется через сдвиг цвета излучаемого света. Такой метод позволяет расширить диапазон частот, на которых можно проводить измерения, не изменяя аппаратную часть устройства.
Проведённые тесты демонстрируют высокую точность определения положения объектов — до 4,7 сантиметра, что является впечатляющим результатом для технологии, находящейся ещё в стадии разработки. В условиях экранированных помещений, с использованием радиопоглощающих «шипов» на стенах и полу, устройство успешно обнаруживало металлические предметы, такие как медные пластины, стальные трубы и стержни, расположенные на расстоянии до пяти метров. Это говорит о высокой чувствительности и потенциале для практического применения.
Одной из наиболее перспективных черт этого квантового радара является его потенциал для компактности. Разработчики полагают, что уже в ближайшем будущем стеклянная колба с атомами цезия может иметь длину всего в один сантиметр, что существенно сократит габариты устройства и упростит его интеграцию в различные системы. Такой миниатюрный радар может стать важным инструментом в сферах, где требования к размерам и весу критичны: например, в геологоразведке, археологии, поиске скрытых коммуникаций или в разведке под поверхностью.
Большое значение имеет интеграция атомного приёмника в единую систему, что улучшит её устойчивость и надёжность. В рамках текущих экспериментов аппарат уже успешно проходит тестирования для определения радиочастотных сигнатур в автомобильных биполярных микросхемах и для оценки влажности почвы — задач, в которых высокая точность и минимальные размеры являются ключевыми факторами.
Преимущества квантовых сенсоров очевидны: атомы цезия уникальны и одинаковы по структуре, что обеспечивает стабильность и уменьшает необходимость частой калибровки системы. В отличие от стандартных радаров, где стабильность зависит от качества и настроек антенн, квантовые сенсоры используют фундаментальные константы, что повышает точность и надёжность измерений. Также стоит отметить, что разработка в области квантовых радаров пересекается с технологиями квантовых компьютеров: атомы Ридберга активно применяются как кубиты, а методики квантовой коррекции ошибок позволяют значительно повысить эффективность и точность сенсоров.
Хотя новая технология ещё не способна полностью заменить существующие радары, она может занять свою нишу в областях, требующих высокой точности, компактности и широкого диапазона измерений без необходимости сложной перенастройки аппаратуры. В будущем планируется повысить чувствительность к слабым сигналам, например, за счёт улучшения покрытия стеклянной колбы и оптимизации методов лазерного зондирования. Это откроет дорогу для использования квантовых радаров в разнообразных сферах — от аэронавтики и обороны до экологического мониторинга и геологических исследований.
Новейшие разработки в области квантовых сенсоров открывают перспективы для революционных изменений в радиолокации и не только. Их способность обеспечивать высокоточные измерения при минимальных размерах делает их более доступными и универсальными. Ожидается, что в будущем такие устройства найдут применение в мобильных устройствах, автоматических системах навигации, а также в инструментах для археологических раскопок, позволяя выявлять скрытые под землёй структуры и объекты с невероятной точностью, ранее недоступной традиционными методами.
