Атамы Рыдберга выяўляюць выразныя сігналы ад партатыўнага радыё

Квантавыя прымачы толькі што ўлоўліваюць сігнал рацыі — і гэта мяняе ўсё

На працягу дзесяцігоддзяў радыёсувязь абапіралася на адну і тую ж фундаментальную тэхналогію: металічныя антэны, якія пераўтвараюць электрамагнітныя хвалі ў электрычныя сігналы. Ён працуе, але мае жорсткія фізічныя абмежаванні — абмежаванні па памеры, абмежаванні па частаце і ўразлівасць да перашкод. Цяпер даследчыкі прадэманстравалі тое, што можа цалкам перапісаць правілы. Выкарыстоўваючы рыдбергаўскія атамы - атамы з электронамі, узбуджанымі да незвычайна высокіх энергетычных станаў - навукоўцы паспяхова выявілі выразныя, зразумелыя сігналы, якія перадаюцца са стандартнага партатыўнага радыё. Гэта не маргінальнае паляпшэнне лабараторыі. Гэта пацверджанне таго, што квантавая фізіка можа замяніць антэнную тэхналогію векавой даўніны чымсьці фундаментальна лепшым, і наступствы ахопліваюць ад абароннай сувязі да таго, як паўсядзённыя кампаніі кіруюць сваёй працай і падключэннем.

Што такое рыдбергаўскія атамы і чаму гэта вас павінна клапаціцца?

Атам Рыдберга - гэта атам, у якім адзін або некалькі электронаў былі ўзбуджаны да надзвычай высокага галоўнага квантавага ліку, які часам дасягае значэнняў 50, 100 і больш. На гэтых узроўнях электрон круціцца на велізарных адлегласцях ад ядра адносна свайго асноўнага стану, што робіць атам надзвычай адчувальным да знешніх электрычных палёў. Адзін ядбергскі атам можа быць у 10 000 разоў большы за тыповы атам у асноўным стане, і яго адчувальнасць да электрамагнітнага выпраменьвання рэзка ўзрастае з гэтым памерам.

Гэтая адчувальнасць робіць атамы Рыдберга такімі прывабнымі ў якасці радыёпрымачоў. Традыцыйныя антэны павінны мець фізічны памер, каб адпавядаць даўжыні хвалі, якую яны выяўляюць - фундаментальнае абмежаванне, якое абмяжоўвае мініяцюрызацыю і шырокапалосны прыём. Атамы Рыдберга цалкам абыходзяць гэта. Паравая ячэйка меншая за запалкавы карабок, напоўненая атамамі цэзію або рубідыя, якія ўзбуджаюцца дакладнымі лазерамі, можа выяўляць сігналы ў дыяпазоне частот ад кілагерц да тэрагерц. У нядаўняй дэманстрацыі даследчыкі наладзілі свой прыёмнік Рыдберга так, каб ён прымаў сігнал УКХ-дыяпазону ад камерцыйнай партатыўнай радыёстанцыі, якая працуе на частаце каля 150 МГц - гэта частата, якая выкарыстоўваецца службамі хуткага рэагавання, авіяцыяй і незлічонымі бізнес-радыёсістэмамі па ўсім свеце.

Сігнал быў выяўлены не проста як зыходныя даныя. Ён быў дэмадуляваны і прайграны ў выглядзе чыстага гуку, што даказвае, што прымачы на аснове Рыдберга могуць функцыянаваць як практычныя камунікацыйныя прылады, а не проста экзатычныя лабараторныя рарыётыкі.

Чаму гэты прарыў важны больш, чым папярэднія дэманстрацыі квантавага зандзіравання

Квантавае зандзіраванне выклікала ўражальныя загалоўкі раней, але многія дэманстрацыі існавалі ў жорстка кантраляваных умовах з ідэальнымі ўмовамі. Што вылучае гэты вынік, так гэта яго прымяненне ў рэальным свеце. Партатыўнае радыё - гэта такі ж звычайны перадатчык, які можна знайсці - з батарэйным харчаваннем, кампактны, які працуе на стандартных камерцыйных узроўнях магутнасці звычайна ад 1 да 5 Вт. Той факт, што прыёмнік атамаў Рыдберга можа здабываць карысны сігнал з такой звычайнай прылады, сведчыць аб тым, што тэхналогія выходзіць за межы доказу прынцыпу ў бок сапраўднай інжынернай жыццяздольнасці.

Традыцыйныя антэнныя сістэмы пакутуюць ад некалькіх добра вядомых абмежаванняў, якія прымачы Rydberg могуць пераадолець:

• Сувязь паміж памерам і частатой: звычайныя антэны павінны займаць значную долю даўжыні хвалі мэты, таму для нізкачашчыннага прыёму патрэбныя фізічна вялікія структуры. Прыёмнікі Rydberg цалкам аддзяляюць выяўленне ад фізічнага памеру.
• Абмежаванні прапускной здольнасці: большасць антэн настроены на вузкія дыяпазоны частот. Рыдбергаўскія атамы можна наладжваць па велізарным спектры, проста рэгулюючы лазерныя частоты, дазваляючы праграмна вызначаны шырокапалосны прыём.
• Электрамагнітныя перашкоды: металічныя антэны ўлоўліваюць шум ад электронікі і збудаванняў паблізу. Прыёмнікі Rydberg выкарыстоўваюць аптычнае счытванне, што робіць іх устойлівымі да шматлікіх формаў электрамагнітных перашкод.
• Дрыф каліброўкі: звычайныя прымачы патрабуюць перыядычнай каліброўкі ў адпаведнасці са стандартамі. Атамы Рыдберга забяспечваюць самакалібруючыя вымярэнні, якія можна прасачыць да фундаментальных атамных канстант, забяспечваючы дакладнасць вымярэння ніжэй за 1 % без знешніх апор.

Гэтыя перавагі тлумачаць, чаму арганізацыі ад DARPA да камерцыйных тэлекамунікацыйных лабараторый за апошнія пяць гадоў уклалі значныя сродкі ў даследаванні атама Рыдберга, а з 2020 года сукупнае фінансаванне перавысіла 100 мільёнаў долараў ва ўсім свеце.

Ад фізічных лабараторый да разгортвання на месцах: інжынерныя задачы наперадзе

Нягледзячы на хваляванне, перад тым, як прымачы Rydberg з'явяцца ў камерцыйных прадуктах, застаюцца значныя інжынерныя перашкоды. Сучасныя сістэмы патрабуюць прэцызійных лазераў для ўзбуджэння атамаў у іх рыдбергаўскія станы - звычайна двухфатонная схема ўзбуджэння з выкарыстаннем лазераў на 852 нм і 509 нм для атамаў цэзію. Гэтыя лазерныя сістэмы, хоць і становяцца ўсё больш кампактнымі, па-ранейшаму спажываюць больш энергіі і займаюць большы аб'ём, чым простая драцяная антэна. Даследчыкі з Нацыянальнага інстытута стандартаў і тэхналогій (NIST) і некалькіх універсітэцкіх лабараторый працуюць над інтэграванымі фатоннымі рашэннямі, якія маглі б змясціць усю аптычную сістэму на платформу маштабу чыпа.

Стабільнасць тэмпературы - яшчэ адна праблема. Атамныя паравыя элементы Рыдберга лепш за ўсё працуюць пры кантраляваных тэмпературах, як правіла, ад 25°C да 45°C, каб падтрымліваць аптымальную атамную шчыльнасць. Разгортванне на месцах у экстрэмальных умовах - пустынная спякота, арктычны холад або вібрацыя транспартнага сродку, які рухаецца - стварае праблемы, з якімі лабараторныя ўстаноўкі не сутыкаюцца. Тым не менш, нядаўнія дасягненні ў мікрафабрыкаваных паравых элементах з убудаванымі награвальнікамі і цеплавой ізаляцыяй паказалі шматспадзеўныя вынікі: некаторыя прататыпы захоўваюць прадукцыйнасць пры тэмпературы навакольнага асяроддзя 60°C.

Адносіны сігнал/шум таксама патрабуюць паляпшэння для некаторых прыкладанняў. Нягледзячы на ​​тое, што дэманстрацыя партатыўнага радыё давала чысты гук, адчувальнасць прымача па-ранейшаму саступае лепшым звычайным прымачам прыкладна на 10-20 дБ для вузкапалосных сігналаў. Даследчыкі вырашаюць гэта з дапамогай такіх метадаў, як шматфатонныя схемы ўзбуджэння і аптымізацыя электрамагнітна індукаванай празрыстасці (EIT), з штогадовымі паляпшэннямі прыкладна на 3-5 дБ, пра якія паведамляецца ў нядаўняй літаратуры.

Дзелавыя камунікацыі ў свеце пасля антэны

Практычныя наступствы квантавых радыёпрыёмнікаў выходзяць далёка за межы ваеннага і навуковага прымянення. Разгледзім інфраструктуру сувязі, ад якой кожны дзень залежыць сучасны бізнес. Электрамагнітная сувязь ляжыць у аснове практычна ўсіх працоўных працэсаў: ад складскіх радыёсістэм і дыспетчарскіх сетак аўтапарка да датчыкаў IoT і Wi-Fi па ўсім будынку. Тэхналогія, якая можа прымаць па ўсім спектры радыё з дапамогай адной кампактнай прылады, магла б істотна спрасціць бізнесам стварэнне і абслугоўванне інфраструктуры сувязі.

Самыя трансфарматыўныя тэхналогіі не проста паляпшаюць існуючыя сістэмы — яны ліквідуюць абмежаванні, якія іх сфармавалі. Атамныя прыёмнікі Рыдберга не робяць лепшых антэн; яны робяць канцэпцыю частотна-спецыфічнай антэны састарэлай.

Для кампаній, якія кіруюць складанымі аперацыямі ў некалькіх месцах, узровень сувязі часта з'яўляецца нябачнай, але важнай залежнасцю. Такія платформы, як Mewayz, якія аб'ядноўваюць 207 аперацыйных модуляў — ад CRM і выстаўлення рахункаў да кіравання аўтапаркам і каардынацыі каманд — у адзіную бізнес-АС, ужо дэманструюць каштоўнасць аб'яднання фрагментаваных сістэм. Па меры сталення тэхналогіі квантавага зандзіравання і стварэння больш гнуткага і ўстойлівага камунікацыйнага абсталявання праграмныя платформы, якія кіруюць бізнес-аперацыямі, стануць яшчэ больш магутнымі. Уявіце сабе сістэмы кіравання аўтапаркам, якія падтрымліваюць злучэнне ў любым дыяпазоне частот, або каманды палявога абслугоўвання, камунікацыі якіх аўтаматычна адаптуюцца да мясцовых умоў спектру — аперацыйная магістраль, якую забяспечваюць інтэграваныя платформы, была б важнай для выкарыстання гэтай гнуткасці.

Магчымасць маніторынгу спектру

Адным з бліжэйшых прыкладанняў, дзе прымачы Rydberg маглі б атрымаць хуткае ўкараненне, з'яўляецца маніторынг і кіраванне спектрам. Урады і рэгулюючыя органы, такія як FCC, трацяць мільярды штогод на маніторынг выкарыстання радыёчастотнага спектру, выяўленне несанкцыянаваных перадач і кіраванне размеркаваннем частот. Цяперашні маніторынг патрабуе масіваў розных антэн і прымачоў для ахопу поўнага спектру - гэта дарагі падыход, які патрабуе тэхнічнага абслугоўвання.

Адзін датчык атама Рыдберга можа замяніць цэлую ферму антэн, сканіруючы ад ВЧ да мікрахвалевых частот прыладай памерам з кававы тэрмас. Самакалібруючы характар атамных вымярэнняў азначае, што гэтыя датчыкі будуць забяспечваць законна адсочваемыя вымярэнні без перыядычных цыклаў каліброўкі, якіх патрабуе цяперашняе абсталяванне - працэс, які ў цяперашні час адключае станцыі маніторынгу на працягу некалькіх дзён кожны год.

Для прадпрыемстваў, якія працуюць у асяроддзі з рэгуляваным спектрам — бесправадныя інтэрнэт-правайдэры, прыватныя аператары сетак LTE, лагістычныя кампаніі, якія выкарыстоўваюць ліцэнзаваныя радыёчастоты — гэтая тэхналогія можа істотна знізіць выдаткі на выкананне патрабаванняў. Аўтаматызаваны маніторынг спектру, інтэграваны з аперацыйнымі платформамі, можа пазначаць праблемы з перашкодамі ў рэжыме рэальнага часу, супастаўляючы зрывы сувязі з данымі аб уздзеянні на бізнес, якія адсочваюцца ў такіх сістэмах, як Mewayz, каб колькасна вызначыць фактычны кошт праблем са спектрам і вызначыць прыярытэты рашэння.

Што будзе далей: графік для квантавых прыёмнікаў

Грунтуючыся на бягучых траекторыях даследаванняў і ўзроўні інвестыцый, галіновыя назіральнікі прапануюць прыблізны графік камерцыялізацыі прымача Rydberg. На працягу 2-3 гадоў спецыялізаваныя прыкладанні для маніторынгу спектру і навуковых вымярэнняў, верагодна, выйдуць на рынак. Ваенныя і абаронныя прыкладанні, дзе перавагі ў памеры, вазе і магутнасці апраўдваюць прэміяльныя выдаткі, могуць быць разгорнуты ў палявых умовах у аналагічны перыяд часу. Спажывецкія і агульныя камерцыйныя прымянення яшчэ далей - верагодна, праз 7-10 гадоў - у чаканні прарываў у лазернай мініяцюрызацыі і зніжэнні выдаткаў.

Паралель з іншымі квантавымі тэхналогіямі павучальная. Атамныя гадзіннікі ішлі па падобнай траекторыі: ад лабараторных прыбораў памерам з пакой у 1950-х гадах да прылад памерам з чып, даступных сёння менш чым за 1500 долараў. Ключавая кропка пералому наступіла, калі дапаможныя фатонныя кампаненты — лазеры, дэтэктары і аптычныя элементы — сталі вырабляць у маштабе. Для прымачоў Рыдберга гэтая кропка перагіну набліжаецца па меры развіцця інтэграванай фатонікі і дасягнення павярхоўна-выпраменьвальных лазераў з вертыкальнай паражніной (VCSEL) неабходных даўжынь хваль і ўзроўню стабільнасці.

Для прадбачлівых кампаній важна не чакаць, пакуль прыйдуць квантавыя прыёмнікі. Гэта пабудова аператыўнай інфраструктуры — уніфікаваных платформ, гнуткай архітэктуры даных, інтэграваных камунікацыйных працоўных працэсаў — якая можа паглынаць і выкарыстоўваць пераўтваральныя тэхналогіі па меры іх з'яўлення. Арганізацыі, якія больш за ўсё змагаліся з лічбавай трансфармацыяй, не былі са старым абсталяваннем; гэта былі тыя з фрагментаванымі праграмнымі сістэмамі, якія не маглі адаптавацца. Абапіраючыся на кансалідаваную аперацыйную платформу сёння, незалежна ад таго, кіруеце вы 5 супрацоўнікамі або 5000, ствараецца аснова для атрымання выгады ад наступнай хвалі апаратных інавацый.

Шырокая карціна: калі атамы замяняюць антэны

Паспяховае выяўленне партатыўных радыёсігналаў з дапамогай атамаў Рыдберга - важная вяха, якая адносіцца да іншых момантаў, калі квантавая фізіка выйшла з лабараторыі і ўвайшла ў практычны свет - першы транзістар, першы лазер, першы спадарожнік GPS з выкарыстаннем атамных стандартаў часу. Кожная з гэтых тэхналогій спатрэбілася дзесяцігоддзі, каб перайсці ад дэманстрацыі да паўсюднага распаўсюджвання, але кожная ў канчатковым выніку змяніла галіны прамысловасці такім чынам, што іх вынаходнікі ніколі не прадказвалі.

Радыёсувязь - гэта глабальная індустрыя коштам 45 мільярдаў долараў, якая працуе на прынцыпова тых жа фізічных прынцыпах з моманту першай трансатлантычнай перадачы Марконі ў 1901 годзе. Атамны прыёмнік Рыдберга не выкарыстоўвае гэтыя прынцыпы - ён замяняе іх чымсьці, узятым з зусім іншай галіны фізікі. Для прадпрыемстваў, інжынераў і тэхналагічных стратэгаў сігнал ад гэтага партатыўнага радыё - гэта не проста гук. Гэта яснае, беспамылковае паведамленне аб тым, што будучыня электрамагнітнага зандзіравання і сувязі - атамная, і арганізацыі, якія найлепш могуць атрымаць выгаду ад гэтага, будуць тыя, якія ўжо працуюць на дастаткова гнуткіх платформах, каб развівацца разам з тэхналогіяй.

Часта задаюць пытанні

Што такое рыдбергаўскія атамы і чаму яны добрыя для выяўлення?

Рыдбергаўскія атамы - гэта атамы, чые крайнія электроны ўзбуджаны да станаў з вельмі высокай энергіяй, што робіць іх надзвычай адчувальнымі да знешніх электрычных палёў, такіх як радыёхвалі. Такая адчувальнасць дазваляе ім выяўляць сігналы з узроўнем дакладнасці і ў больш шырокім дыяпазоне частот, чым традыцыйныя металічныя антэны. Такія платформы, як Mewayz, прапануюць больш за 200 навучальных модуляў за 19 долараў у месяц і забяспечваюць даступныя рэсурсы для разумення гэтых перадавых квантавых канцэпцый.

Якое значэнне мела выяўленне сігналу рацыі?

Выяўленне стандартнага маламагутнага сігналу рацыі даказвае, што гэтая квантавая тэхналогія можа працаваць з рэальнай сувяззю, а не толькі з лабараторнымі эксперыментамі. Гэта дэманструе практычны крок да стварэння звышадчувальных мініяцюрных прыёмнікаў, якія маглі б перасягнуць звычайныя радыёстанцыі. Гэты прарыў з'яўляецца ключавой тэмай курсаў сучасных тэхналогій, уключаючы модулі, даступныя на такіх платформах, як Mewayz.

Як гэтая тэхналогія можа змяніць паўсядзённае зносіны?

Прыёмнікі на аснове Rydberg могуць прывесці да стварэння больш бяспечных, устойлівых да перашкод сістэм сувязі, меншых памераў і больш эфектыўных. Яны могуць працаваць у шырокім спектры частот з адной прыладай, патэнцыйна замяняючы некалькі спецыялізаваных антэн. Зразумець гэтыя будучыя прыкладанні лягчэй са структураванымі маршрутамі навучання ад такіх сэрвісаў, як Mewayz.

Ці гатовая гэтая тэхналогія замяніць маё цяперашняе радыё?

Пакуль не. Гэта лабараторная дэманстрацыя, якая пацвярджае працу канцэпцыі. Застаюцца значныя інжынерныя праблемы, каб зрабіць тэхналогію кампактнай, даступнай па цане і працаздольнай па-за кантраляваным асяроддзем. Аднак гэтая вяха імкліва паскарае развіццё. Тым, хто цікавіцца гэтай сферай, якая развіваецца, Mewayz прапануе сучасныя модулі па перадавой фізіцы і тэхніцы.