Mae atomau Rydberg yn canfod signalau clir o radio llaw

Derbynyddion Cwantwm Newydd Godi Signal Walkie-Talkie - Ac Mae Sy'n Newid Popeth

Am ddegawdau, mae cyfathrebu radio wedi dibynnu ar yr un dechnoleg sylfaenol: antenâu metel yn trosi tonnau electromagnetig yn signalau trydanol. Mae'n gweithio, ond mae ganddo derfynau corfforol caled - cyfyngiadau maint, cyfyngiadau amlder, a bregusrwydd i ymyrraeth. Nawr, mae ymchwilwyr wedi dangos rhywbeth a allai ailysgrifennu'r rheolau yn gyfan gwbl. Gan ddefnyddio atomau Rydberg - atomau ag electronau wedi'u cyffroi i gyflyrau egni hynod o uchel - mae gwyddonwyr wedi llwyddo i ganfod signalau clir, dealladwy a drosglwyddir o radio llaw safonol. Nid gwelliant ymylol yn y labordy mo hwn. Mae'n brawf o'r cysyniad y gall ffiseg cwantwm ddisodli technoleg antena canrif oed gyda rhywbeth sy'n sylfaenol well, ac mae'r goblygiadau'n ymestyn o gyfathrebu amddiffyn i sut mae busnesau bob dydd yn rheoli eu gweithrediadau a'u cysylltedd.

Beth Yw Atomau Rydberg a Pam Ddylech Chi Ofalu?

Atom Rydberg yw atom lle mae un neu fwy o electronau wedi'u cynhyrfu i brif rif cwantwm hynod o uchel — weithiau'n cyrraedd gwerthoedd o 50, 100, neu fwy. Ar y lefelau hyn, mae'r electron yn orbitau'n bell iawn o'r niwclews o'i gymharu â'i gyflwr daear, gan wneud yr atom yn hynod sensitif i feysydd trydan allanol. Gall un atom Rydberg fod 10,000 gwaith yn fwy nag atom cyflwr daear nodweddiadol, ac mae ei sensitifrwydd i raddfeydd ymbelydredd electromagnetig yn ddramatig gyda'r maint hwnnw.

Y sensitifrwydd hwn sy'n gwneud atomau Rydberg mor ddeniadol â derbynyddion radio. Rhaid i antenâu traddodiadol fod o faint ffisegol i gyd-fynd â'r donfedd y maent yn ei ganfod - cyfyngiad sylfaenol sy'n cyfyngu ar finiatureiddio a derbyniad band eang. Mae atomau Rydberg yn ochri hyn yn gyfan gwbl. Gall cell anwedd sy'n llai na blwch matsis, wedi'i lenwi ag atomau caesiwm neu rwbidiwm wedi'u cyffroi gan laserau manwl gywir, ganfod signalau ar draws ystod amledd sy'n ymestyn o cilohertz i terahertz. Yn yr arddangosiad diweddar, tiwniodd ymchwilwyr eu derbynnydd Rydberg i godi signal band VHF o radio llaw masnachol yn gweithredu ar tua 150 MHz - amledd a ddefnyddir gan ymatebwyr cyntaf, hedfan, a systemau radio busnes di-ri ledled y byd.

Nid fel data crai yn unig y canfuwyd y signal. Cafodd ei ddadfododi a'i atgynhyrchu fel sain glir, gan brofi y gall derbynyddion yn Rydberg weithredu fel dyfeisiau cyfathrebu ymarferol, nid chwilfrydedd labordy egsotig yn unig.

Pam Mae'r Torri Drwodd Hwn yn Bwysig Mwy Na Demos Synhwyro Cwantwm Blaenorol

Mae synhwyro cwantwm wedi cynhyrchu penawdau trawiadol o'r blaen, ond roedd llawer o arddangosiadau'n bodoli mewn amgylcheddau a reolir yn dynn gydag amodau delfrydol. Yr hyn sy'n gosod y canlyniad hwn ar wahân yw ei gymhwysedd yn y byd go iawn. Mae radio llaw yn drosglwyddydd mor gyffredin ag y gallwch chi ei ddarganfod - wedi'i bweru gan fatri, yn gryno, yn gweithredu ar lefelau pŵer masnachol safonol fel arfer rhwng 1 a 5 wat. Mae'r ffaith y gall derbynnydd atom Rydberg dynnu signal y gellir ei ddefnyddio o ddyfais mor gyffredin yn dangos bod y dechnoleg yn symud y tu hwnt i brawf-egwyddor tuag at hyfywedd peirianneg gwirioneddol.

Mae systemau antena traddodiadol yn dioddef o nifer o gyfyngiadau adnabyddus y gallai derbynyddion Rydberg eu goresgyn:

• Cyplu amledd maint: Rhaid i antenâu confensiynol fod yn ffracsiwn sylweddol o'r donfedd darged, sy'n golygu bod angen strwythurau ffisegol fawr ar dderbyniad amledd isel. Mae derbynyddion Rydberg yn datgysylltu canfod o faint ffisegol yn gyfan gwbl.
• Cyfyngiadau lled band: Mae'r rhan fwyaf o antenâu yn cael eu tiwnio i fandiau amledd cul. Gellir tiwnio atomau Rydberg ar draws sbectrwm enfawr yn syml trwy addasu amlder laser, gan alluogi derbyniad band eang wedi'i ddiffinio gan feddalwedd.
• Ymyriad electromagnetig: Mae antenâu metel yn codi sŵn o electroneg a strwythurau cyfagos. Mae derbynyddion Rydberg yn defnyddio darlleniad optegol, gan eu gwneud yn gynhenid imiwn i sawl math o ymyrraeth electromagnetig.
• Drifft graddnodi: Mae angen graddnodi cyfnodol yn erbyn safonau cyfeirio ar dderbynyddion confensiynol. Mae atomau Rydberg yn darparu mesuriadau hunan-raddnodi y gellir eu holrhain i gysonion atomig sylfaenol, gan gynnig cywirdeb mesur o dan 1% heb gyfeiriadau allanol.

Mae'r manteision hyn yn esbonio pam mae sefydliadau o DARPA i labordai telathrebu masnachol wedi buddsoddi'n helaeth mewn ymchwil atom Rydberg dros y pum mlynedd diwethaf, gyda chyllid cyfunol yn fwy na $100 miliwn yn fyd-eang ers 2020.

O Labordai Ffiseg i Ddefnyddio Maes: Yr Heriau Peirianneg sydd o'n Blaen

Er gwaethaf y cyffro, erys rhwystrau peirianneg sylweddol cyn i dderbynyddion Rydberg ymddangos mewn cynhyrchion masnachol. Mae'r systemau presennol yn gofyn am laserau manwl gywir i gyffroi atomau i'w gwladwriaethau Rydberg - yn nodweddiadol cynllun cyffro dau ffoton sy'n defnyddio laserau ar 852 nm a 509 nm ar gyfer atomau caesiwm. Mae'r systemau laser hyn, er eu bod yn gynyddol gryno, yn dal i ddefnyddio mwy o bŵer ac yn meddiannu mwy o gyfaint nag antena gwifren syml. Mae ymchwilwyr yn y Sefydliad Cenedlaethol Safonau a Thechnoleg (NIST) a sawl labordy prifysgol yn gweithio ar atebion ffotonig integredig a allai grebachu'r system optegol gyfan i lwyfan graddfa sglodion.

Mae sefydlogrwydd tymheredd yn bryder arall. Mae celloedd anwedd atom Rydberg yn gweithredu orau ar dymheredd rheoledig, fel arfer rhwng 25 ° C a 45 ° C, i gynnal y dwysedd atomig gorau posibl. Mae defnyddio maes mewn amgylcheddau eithafol - gwres anialwch, oerfel arctig, neu ddirgryniad cerbyd sy'n symud - yn cyflwyno heriau nad yw setiau labordy yn eu hwynebu. Fodd bynnag, mae datblygiadau diweddar mewn celloedd anwedd micro-ffurf gyda gwresogyddion integredig ac ynysu thermol wedi dangos canlyniadau addawol, gyda rhai prototeipiau yn cynnal perfformiad ar draws ystod tymheredd amgylchynol 60 ° C.

Mae angen gwella'r gymhareb signal-i-sŵn hefyd ar gyfer rhai cymwysiadau. Er bod yr arddangosiad radio llaw yn cynhyrchu sain glir, mae sensitifrwydd y derbynnydd yn dal i fod yn brin o'r derbynyddion confensiynol gorau o tua 10-20 dB ar gyfer signalau band cul. Mae ymchwilwyr yn mynd i'r afael â hyn trwy dechnegau fel cynlluniau cyffroi aml-ffoton ac optimeiddio tryloywder a achosir yn electromagnetig (EIT), gyda gwelliannau blynyddol o tua 3-5 dB wedi'u hadrodd mewn llenyddiaeth ddiweddar.

Cyfathrebu Busnes mewn Byd Ôl-Antenna

Mae goblygiadau ymarferol derbynyddion radio cwantwm yn ymestyn ymhell y tu hwnt i gymwysiadau milwrol a gwyddonol. Ystyriwch y seilwaith cyfathrebu y mae busnesau modern yn dibynnu arno bob dydd. O systemau radio warws a rhwydweithiau anfon fflyd i araeau synhwyrydd IoT a Wi-Fi ar draws yr adeilad, mae cyfathrebu electromagnetig yn sail i bron pob llif gwaith gweithredol. Gallai technoleg sy'n gallu derbyn ar draws y sbectrwm radio cyfan gydag un ddyfais gryno symleiddio'n sylfaenol sut mae busnesau'n adeiladu ac yn cynnal eu seilwaith cyfathrebu.

Nid dim ond gwella systemau presennol y mae'r technolegau mwyaf trawsnewidiol - maent yn dileu'r cyfyngiadau a'u lluniodd. Nid yw derbynwyr atom Rydberg yn gwneud antenâu gwell; maent yn gwneud y cysyniad o antena amledd-benodol yn anarferedig.

Ar gyfer busnesau sy'n rheoli gweithrediadau cymhleth ar draws lleoliadau lluosog, mae'r haen gyfathrebu yn aml yn ddibyniaeth anweledig ond hollbwysig. Mae llwyfannau fel Mewayz, sy'n cyfuno 207 o fodiwlau gweithredol - o CRM ac anfonebu i reoli fflyd a chydlynu tîm - yn un OS busnes, eisoes yn dangos gwerth uno systemau tameidiog. Wrth i dechnoleg synhwyro cwantwm aeddfedu a galluogi caledwedd cyfathrebu mwy hyblyg, gwydn, bydd y llwyfannau meddalwedd sy'n trefnu gweithrediadau busnes hyd yn oed yn fwy pwerus. Dychmygwch systemau rheoli fflyd sy'n cynnal cysylltedd ar draws unrhyw fand amledd, neu dimau gwasanaeth maes y mae eu cyfathrebiadau'n addasu'n awtomatig i amodau sbectrwm lleol - byddai'r asgwrn cefn gweithredol a ddarperir gan lwyfannau integredig yn hanfodol i harneisio'r hyblygrwydd hwnnw.

Y Cyfle Monitro Sbectrwm

Un cais tymor agos lle gallai derbynwyr Rydberg weld mabwysiadu cyflym yw monitro a rheoli sbectrwm. Mae llywodraethau a chyrff rheoleiddio fel yr FCC yn gwario biliynau'n flynyddol yn monitro'r defnydd o sbectrwm radio, yn canfod trosglwyddiadau anawdurdodedig, ac yn rheoli dyraniadau amledd. Mae monitro cyfredol yn gofyn am araeau o wahanol antenâu a derbynyddion i gwmpasu'r sbectrwm llawn - dull drud, cynnal a chadw trwm.

Gallai un synhwyrydd atom Rydberg ddisodli fferm antena gyfan, gan sganio o HF trwy amleddau microdon â dyfais maint thermos coffi. Mae natur hunan-calibro mesuriadau atomig yn golygu y byddai'r synwyryddion hyn yn darparu mesuriadau y gellir eu holrhain yn gyfreithiol heb y cylchoedd graddnodi cyfnodol y mae offer cyfredol yn eu mynnu - proses sydd ar hyn o bryd yn cymryd gorsafoedd monitro all-lein am ddyddiau bob blwyddyn.

Ar gyfer busnesau sy’n gweithredu mewn amgylcheddau sbectrwm a reoleiddir — ISPs diwifr, gweithredwyr rhwydwaith LTE preifat, cwmnïau logisteg sy’n defnyddio amleddau radio trwyddedig — gallai’r dechnoleg hon leihau costau cydymffurfio yn ddramatig. Gallai monitro sbectrwm awtomataidd wedi'i integreiddio â llwyfannau gweithredol dynnu sylw at faterion ymyrraeth mewn amser real, gan gydberthyn amhariadau cyfathrebu â data effaith busnes wedi'i olrhain mewn systemau fel Mewayz i feintioli cost wirioneddol problemau sbectrwm a blaenoriaethu datrysiad.

Beth Sy'n Digwydd Nesaf: Llinell Amser ar gyfer Derbynwyr Cwantwm

Yn seiliedig ar lwybrau ymchwil cyfredol a lefelau buddsoddi, mae arsylwyr y diwydiant yn awgrymu amserlen fras ar gyfer masnacheiddio derbynyddion Rydberg. O fewn 2-3 blynedd, mae cymwysiadau arbenigol mewn monitro sbectrwm a mesur gwyddonol yn debygol o gyrraedd y farchnad. Gallai cymwysiadau milwrol ac amddiffyn, lle mae maint, pwysau, a manteision pŵer yn cyfiawnhau costau premiwm, weld defnydd maes o fewn amserlen debyg. Mae cymwysiadau masnachol defnyddwyr a chyffredinol ymhellach allan - 7-10 mlynedd yn ôl pob tebyg - wrth aros am ddatblygiadau arloesol mewn miniatureiddio laser a lleihau costau.

Mae'r paralel â thechnolegau cwantwm eraill yn addysgiadol. Roedd clociau atomig yn dilyn trywydd tebyg: o offerynnau labordy maint ystafell yn y 1950au i ddyfeisiadau graddfa sglodion sydd ar gael am lai na $1,500 heddiw. Daeth y pwynt ffurfdro allweddol pan ddaeth y cydrannau ffotonig ategol - laserau, synwyryddion, ac elfennau optegol - yn weithgynhyrchadwy ar raddfa. Ar gyfer derbynwyr Rydberg, mae'r pwynt ffurfdro hwnnw'n agosáu wrth i ffotoneg integredig aeddfedu ac wrth i laserau allyrru arwyneb ceudod fertigol (VCSELs) gyrraedd y tonfeddi a'r lefelau sefydlogrwydd gofynnol.

Ar gyfer busnesau blaengar, nid yw'r siop tecawê yn aros i dderbynyddion cwantwm gyrraedd. Ei ddiben yw adeiladu seilwaith gweithredol - llwyfannau unedig, pensaernïaeth data hyblyg, llifoedd gwaith cyfathrebu integredig - a all amsugno a throsoli technolegau trawsnewidiol wrth iddynt ddod i'r amlwg. Nid y sefydliadau a gafodd yr anhawster mwyaf gyda thrawsnewid digidol oedd y rhai â hen galedwedd; roedden nhw'n rhai gyda systemau meddalwedd tameidiog na allai addasu. Mae adeiladu ar lwyfan gweithredu cyfunol heddiw, boed yn rheoli 5 o weithwyr neu 5,000, yn creu'r sylfaen i fanteisio ar beth bynnag a ddaw yn sgil y don nesaf o arloesi caledwedd.

Y Llun Mwy: Pan fydd Atomau'n Disodli Antenâu

Mae canfod signal radio llaw yn llwyddiannus gan ddefnyddio atomau Rydberg yn garreg filltir sy'n perthyn ochr yn ochr ag eiliadau eraill pan wnaeth ffiseg cwantwm ddianc o'r labordy a mynd i mewn i'r byd ymarferol - y transistor cyntaf, y laser cyntaf, y lloeren GPS gyntaf gan ddefnyddio safonau amser atomig. Cymerodd pob un o'r technolegau hyn ddegawdau i symud o arddangos i hollbresenoldeb, ond yn y pen draw ail-luniodd pob un diwydiannau mewn ffyrdd na ragfynegwyd gan eu dyfeiswyr.

Mae cyfathrebu radio yn ddiwydiant byd-eang gwerth $45 biliwn sydd wedi gweithredu ar yr un egwyddorion ffisegol yn y bôn ers trosglwyddiad trawsatlantig cyntaf Marconi ym 1901. Nid yw derbynnydd atom Rydberg yn ailadrodd yr egwyddorion hynny — mae'n eu disodli â rhywbeth sy'n dod o gangen hollol wahanol o ffiseg. Ar gyfer busnesau, peirianwyr, a strategwyr technoleg, nid sain yn unig yw'r signal o'r radio llaw hwnnw. Mae'n neges glir, ddigamsyniol bod dyfodol synhwyro a chyfathrebu electromagnetig yn atomig, a'r sefydliadau sydd yn y sefyllfa orau i elwa fydd y rhai sydd eisoes yn gweithredu ar lwyfannau sy'n ddigon hyblyg i esblygu gyda'r dechnoleg.