Rydberg ატომები აღმოაჩენენ მკაფიო სიგნალებს ხელის რადიოსგან

კვანტურმა მიმღებებმა ახლახან აიღეს Walkie-Talkie სიგნალი — და ეს ცვლის ყველაფერს

ათწლეულების მანძილზე რადიოკავშირი ეყრდნობოდა იმავე ფუნდამენტურ ტექნოლოგიას: ლითონის ანტენები ელექტრომაგნიტურ ტალღებს ელექტრო სიგნალებად გარდაქმნის. ის მუშაობს, მაგრამ გააჩნია მძიმე ფიზიკური შეზღუდვები - ზომის შეზღუდვები, სიხშირის შეზღუდვები და დაუცველობა ჩარევის მიმართ. ახლა მკვლევარებმა აჩვენეს რაღაც, რაც შეიძლება მთლიანად გადაწეროს წესები. რიდბერგის ატომების გამოყენებით - ატომები ელექტრონებით აღგზნებული არაჩვეულებრივად მაღალი ენერგეტიკული მდგომარეობებით - მეცნიერებმა წარმატებით აღმოაჩინეს მკაფიო, გასაგები სიგნალები, რომლებიც გადაცემულია სტანდარტული ხელის რადიოთი. ეს არ არის ზღვრული ლაბორატორიული გაუმჯობესება. ეს არის კონცეფციის დადასტურება იმისა, რომ კვანტურ ფიზიკას შეუძლია შეცვალოს საუკუნოვანი ანტენის ტექნოლოგია რაღაც ფუნდამენტურად აღმატებული, და შედეგები ვრცელდება თავდაცვის კომუნიკაციებიდან დაწყებული, თუ როგორ მართავენ ყოველდღიური ბიზნესები თავიანთ ოპერაციებსა და დაკავშირებას.

რა არის რიდბერგის ატომები და რატომ უნდა იზრუნოთ?

რიდბერგის ატომი არის ატომი, რომელშიც ერთი ან მეტი ელექტრონი აღგზნებულია უკიდურესად მაღალი ძირითადი კვანტური რიცხვით - ზოგჯერ აღწევს 50, 100 ან მეტი მნიშვნელობებს. ამ დონეზე, ელექტრონი ბრუნავს ბირთვიდან მის ძირითად მდგომარეობასთან შედარებით დიდ მანძილზე, რაც ატომს არაჩვეულებრივად მგრძნობიარეს ხდის გარე ელექტრული ველების მიმართ. ერთი რიდბერგის ატომი შეიძლება იყოს 10000-ჯერ უფრო დიდი ვიდრე ტიპიური მიწისქვეშა მდგომარეობის ატომი და მისი მგრძნობელობა ელექტრომაგნიტური გამოსხივების მიმართ მკვეთრად მასშტაბებს ამ ზომით.

ეს მგრძნობელობა არის ის, რაც რიდბერგის ატომებს ისე მიმზიდველს ხდის, როგორც რადიო მიმღებები. ტრადიციული ანტენები უნდა იყოს ფიზიკურად გაზომილი, რათა შეესაბამებოდეს მათ მიერ აღმოჩენილ ტალღის სიგრძეს - ფუნდამენტური შეზღუდვა, რომელიც ზღუდავს მინიატურიზაციას და ფართოზოლოვან მიღებას. რიდბერგის ატომები ამას მთლიანად გვერდს უვლიან. ასანთის კოლოფზე პატარა ორთქლის უჯრედს, რომელიც სავსეა ცეზიუმის ან რუბიდიუმის ატომებით, რომლებიც აღგზნებულია ზუსტი ლაზერით, შეუძლია აღმოაჩინოს სიგნალები სიხშირის დიაპაზონში, რომელიც მოიცავს კილოჰერციდან ტერაჰერცამდე. ბოლო დემონსტრაციაში, მკვლევარებმა დააკონკრეტეს თავიანთი Rydberg მიმღები, რათა აეღოთ VHF ზოლის სიგნალი კომერციული ხელის რადიოსგან, რომელიც მუშაობს დაახლოებით 150 MHz სიხშირეზე - სიხშირე, რომელსაც იყენებენ პირველი რეაგირება, ავიაცია და უამრავი ბიზნეს რადიო სისტემა მთელ მსოფლიოში.

სიგნალი არ იქნა აღმოჩენილი, როგორც დაუმუშავებელი მონაცემები. ის იყო დემოდულირებული და რეპროდუცირებული, როგორც მკაფიო აუდიო, რაც ადასტურებს, რომ Rydberg-ზე დაფუძნებულ მიმღებებს შეუძლიათ იმოქმედონ როგორც პრაქტიკული საკომუნიკაციო მოწყობილობები და არა მხოლოდ ეგზოტიკური ლაბორატორიული კურიოზები.

რატომ არის ეს გარღვევა უფრო მნიშვნელოვანი ვიდრე წინა კვანტური სენსორული დემო ჩვენებები

კვანტური ზონდირება ადრეც შთამბეჭდავი სათაურები იყო, მაგრამ ბევრი დემონსტრაცია არსებობდა მჭიდროდ კონტროლირებად გარემოში იდეალური პირობებით. რაც ამ შედეგს გამოარჩევს არის მისი რეალურ სამყაროში გამოყენებადობა. ხელის რადიო ისეთივე ჩვეულებრივი გადამცემია, როგორც თქვენ შეგიძლიათ იპოვოთ - ბატარეით იკვებება, კომპაქტური, მუშაობს სტანდარტული კომერციული სიმძლავრის დონეზე, როგორც წესი, 1-დან 5 ვატამდე. ის ფაქტი, რომ რიდბერგის ატომის მიმღებს შეუძლია გამოიტანოს გამოსაყენებელი სიგნალი ასეთი ჩვეულებრივი მოწყობილობიდან, მეტყველებს იმაზე, რომ ტექნოლოგია სცილდება პრინციპის მტკიცებულებას და ჭეშმარიტი ინჟინერიის სიცოცხლისუნარიანობას.

ტრადიციული ანტენის სისტემები განიცდის რამდენიმე ცნობილ შეზღუდვას, რომელთა გადალახვაც Rydberg-ის მიმღებებს შეუძლიათ:

• ზომა-სიხშირის შეერთება: ჩვეულებრივი ანტენები უნდა იყოს სამიზნე ტალღის სიგრძის მნიშვნელოვანი ნაწილი, რის გამოც დაბალი სიხშირის მიღება მოითხოვს ფიზიკურად დიდ სტრუქტურებს. Rydberg-ის მიმღებები მთლიანად წყვეტს გამოვლენას ფიზიკური ზომისგან.
• გამტარუნარიანობის შეზღუდვები: ანტენების უმეტესობა მორგებულია ვიწრო სიხშირის ზოლებზე. რიდბერგის ატომების დარეგულირება შესაძლებელია უზარმაზარ სპექტრში, უბრალოდ ლაზერული სიხშირეების რეგულირებით, რაც საშუალებას იძლევა პროგრამული უზრუნველყოფის მიერ განსაზღვრული ფართოზოლოვანი მიღება.
• ელექტრომაგნიტური ჩარევა: ლითონის ანტენები იღებენ ხმაურს ახლომდებარე ელექტრონიკიდან და სტრუქტურებიდან. Rydberg მიმღებები იყენებენ ოპტიკურ ამოკითხვას, რაც მათ ბუნებრივად იცავს ელექტრომაგნიტური ჩარევის მრავალი ფორმის მიმართ.
• კალიბრაციის დრიფტი: ჩვეულებრივი მიმღებები საჭიროებენ პერიოდულ კალიბრაციას საცნობარო სტანდარტების შესაბამისად. რიდბერგის ატომები უზრუნველყოფენ თვითკალიბრირებულ გაზომვებს, რომლებიც მიკვლევას ახდენენ ფუნდამენტურ ატომურ მუდმივებამდე და გვთავაზობენ გაზომვის სიზუსტეს 1%-ზე ქვემოთ გარე მითითებების გარეშე.

ეს უპირატესობები ხსნის იმას, თუ რატომ განახორციელეს ორგანიზაციები DARPA-დან დაწყებული კომერციული ტელეკომის ლაბორატორიებით დამთავრებული რიდბერგის ატომების კვლევაში ბოლო ხუთი წლის განმავლობაში, 2020 წლიდან გლობალურად 100 მილიონ დოლარზე მეტი დაფინანსებით.

ფიზიკის ლაბორატორიებიდან საველე განლაგებამდე: წინ საინჟინრო გამოწვევები

აღფრთოვანების მიუხედავად, მნიშვნელოვანი საინჟინრო დაბრკოლებები რჩება Rydberg მიმღებების კომერციულ პროდუქტებში გამოჩენამდე. ამჟამინდელი სისტემები მოითხოვს ზუსტ ლაზერებს ატომების რიდბერგის მდგომარეობებამდე აღგზნებისთვის - როგორც წესი, ორფოტონიანი აგზნების სქემა, რომელიც იყენებს ლაზერებს 852 ნმ და 509 ნმ ცეზიუმის ატომებისთვის. ეს ლაზერული სისტემები, მიუხედავად იმისა, რომ უფრო კომპაქტურია, მაინც მოიხმარენ მეტ ენერგიას და იკავებენ მეტ მოცულობას, ვიდრე უბრალო მავთულის ანტენა. სტანდარტებისა და ტექნოლოგიების ეროვნული ინსტიტუტის (NIST) და რამდენიმე უნივერსიტეტის ლაბორატორიის მკვლევარები მუშაობენ ინტეგრირებულ ფოტონიკურ გადაწყვეტილებებზე, რომლებსაც შეუძლიათ მთელი ოპტიკური სისტემის შემცირება ჩიპის მასშტაბის პლატფორმაზე.

ტემპერატურული სტაბილურობა კიდევ ერთი პრობლემაა. რიდბერგის ატომის ორთქლის უჯრედები საუკეთესოდ მუშაობენ კონტროლირებად ტემპერატურაზე, როგორც წესი, 25°C-დან 45°C-მდე, ოპტიმალური ატომური სიმკვრივის შესანარჩუნებლად. ექსტრემალურ გარემოში საველე განლაგება - უდაბნოს სიცხე, არქტიკული სიცივე ან მოძრავი მანქანის ვიბრაცია - წარმოშობს გამოწვევებს, რომლებსაც ლაბორატორიული დაყენებები არ აწყდება. თუმცა, ბოლოდროინდელმა მიღწევებმა მიკრო დამზადებულ ორთქლის უჯრედებში ინტეგრირებული გამათბობლებით და თბოიზოლაციით, პერსპექტიული შედეგები აჩვენა, ზოგიერთი პროტოტიპი ინარჩუნებს ეფექტურობას 60°C გარემოს ტემპერატურის დიაპაზონში.

სიგნალი-ხმაურის თანაფარდობა ასევე საჭიროებს გაუმჯობესებას გარკვეული აპლიკაციებისთვის. მიუხედავად იმისა, რომ ხელის რადიო დემონსტრირებამ წარმოქმნა მკაფიო აუდიო, მიმღების მგრძნობელობა მაინც ჩამოუვარდება საუკეთესო ჩვეულებრივ მიმღებებს დაახლოებით 10-20 დბ ვიწროზოლიანი სიგნალებისთვის. მკვლევარები ამას მიმართავენ ისეთი ტექნიკის მეშვეობით, როგორიცაა მრავალფოტონური აგზნების სქემები და ელექტრომაგნიტური ინდუცირებული გამჭვირვალობის (EIT) ოპტიმიზაცია, წლიური გაუმჯობესებით დაახლოებით 3-5 დბ-ით, რომელიც მოხსენებულია ბოლო ლიტერატურაში.

ბიზნეს კომუნიკაციები ანტენის შემდგომ სამყაროში

კვანტური რადიო მიმღებების პრაქტიკული მნიშვნელობა სამხედრო და სამეცნიერო აპლიკაციებს სცილდება. განვიხილოთ საკომუნიკაციო ინფრასტრუქტურა, რომელზეც თანამედროვე ბიზნესი ყოველდღიურად არის დამოკიდებული. საწყობის რადიო სისტემებიდან და ფლოტის დისპეტჩერიზაციის ქსელებიდან დაწყებული IoT სენსორების მასივებით და შენობის მასშტაბით Wi-Fi-მდე, ელექტრომაგნიტური კომუნიკაცია ემყარება პრაქტიკულად ყველა ოპერაციულ სამუშაო პროცესს. ტექნოლოგიას, რომელსაც შეუძლია მიიღოს მთელი რადიო სპექტრი ერთი კომპაქტური მოწყობილობით, შეიძლება ფუნდამენტურად გაამარტივოს ბიზნესის შექმნა და შენარჩუნება საკომუნიკაციო ინფრასტრუქტურის შესახებ.

ყველაზე ტრანსფორმაციული ტექნოლოგიები არ აუმჯობესებს მხოლოდ არსებულ სისტემებს - ისინი აღმოფხვრის შეზღუდვებს, რომლებიც მათ აყალიბებს. Rydberg ატომური მიმღებები არ ქმნიან უკეთეს ანტენებს; ისინი მოძველებულს ხდიან სიხშირის სპეციფიკური ანტენის კონცეფციას.

ბიზნესებისთვის, რომლებიც მართავენ კომპლექსურ ოპერაციებს მრავალ ადგილას, კომუნიკაციის ფენა ხშირად უხილავი, მაგრამ კრიტიკული დამოკიდებულებაა. პლატფორმები, როგორიცაა Mewayz, რომელიც აერთიანებს 207 ოპერაციულ მოდულს - CRM-დან და ინვოისიდან ფლოტის მენეჯმენტამდე და გუნდის კოორდინაციამდე - ერთ ბიზნეს ოპერაციულ სისტემაში, უკვე აჩვენებს ფრაგმენტული სისტემების გაერთიანების მნიშვნელობას. როდესაც კვანტური ზონდირების ტექნოლოგია მომწიფდება და უფრო მოქნილ, ელასტიურ საკომუნიკაციო აპარატურას აძლევს, პროგრამული პლატფორმები, რომლებიც აწყობენ ბიზნეს ოპერაციებს, კიდევ უფრო მძლავრი გახდება. წარმოიდგინეთ ფლოტის მართვის სისტემები, რომლებიც ინარჩუნებენ კავშირს სიხშირის ნებისმიერ დიაპაზონში, ან საველე სერვისის გუნდები, რომელთა კომუნიკაციები ავტომატურად ადაპტირდება ლოკალური სპექტრის პირობებთან - ინტეგრირებული პლატფორმების მიერ მოწოდებული ოპერატიული ხერხემალი არსებითი იქნება ამ მოქნილობის გამოსაყენებლად.

სპექტრის მონიტორინგის შესაძლებლობა

ერთი უახლოესი აპლიკაცია, სადაც Rydberg-ის მიმღებებმა შეიძლება დაინახონ სწრაფი მიღება, არის სპექტრის მონიტორინგი და მართვა. მთავრობები და მარეგულირებელი ორგანოები, როგორიცაა FCC, ყოველწლიურად ხარჯავენ მილიარდებს რადიო სპექტრის გამოყენების მონიტორინგზე, არაავტორიზებული გადაცემის აღმოჩენასა და სიხშირის განაწილების მართვაზე. მიმდინარე მონიტორინგი მოითხოვს სხვადასხვა ანტენებისა და მიმღებების მასივებს, რათა დაფაროს მთელი სპექტრი - ძვირადღირებული, ტექნიკური უზრუნველყოფის მიდგომა.

რიდბერგის ატომის ერთ სენსორს შეუძლია შეცვალოს მთელი ანტენის ფერმა, რომელიც სკანირებს HF-დან მიკროტალღური სიხშირეების მეშვეობით ყავის თერმოსის ზომის მოწყობილობით. ატომური გაზომვების თვითდაკალიბრება ნიშნავს იმას, რომ ეს სენსორები უზრუნველყოფენ ლეგალურად მიკვლევად გაზომვებს იმ პერიოდული კალიბრაციის ციკლების გარეშე, რასაც საჭიროებს ამჟამინდელი აღჭურვილობა - პროცესი, რომელიც ამჟამად ატარებს მონიტორინგის სადგურებს ოფლაინში ყოველწლიურად დღეების განმავლობაში.

ბიზნესებისთვის, რომლებიც მუშაობენ სპექტრის რეგულირებულ გარემოში - უკაბელო ინტერნეტ პროვაიდერები, კერძო LTE ქსელის ოპერატორები, ლოჯისტიკური კომპანიები, რომლებიც იყენებენ ლიცენზირებულ რადიოსიხშირეებს - ამ ტექნოლოგიამ შეიძლება მკვეთრად შეამციროს შესაბამისობის ხარჯები. ოპერაციულ პლატფორმებთან ინტეგრირებულ სპექტრის ავტომატურმა მონიტორინგმა შეიძლება მონიშნოს ჩარევის საკითხები რეალურ დროში, დააკავშიროს კომუნიკაციის შეფერხებები ბიზნესზე ზემოქმედების მონაცემებთან, რომლებსაც თვალყურს ადევნებთ ისეთ სისტემებში, როგორიცაა Mewayz, სპექტრის პრობლემების რეალური ღირებულების რაოდენობრივი დასადგენად და გადაჭრის პრიორიტეტების მინიჭების მიზნით.

რა მოხდება შემდეგ: კვანტური მიმღებების ვადები

ამჟამინდელი კვლევის ტრაექტორიებზე და ინვესტიციების დონეებზე დაყრდნობით, ინდუსტრიის დამკვირვებლები გვთავაზობენ Rydberg მიმღების კომერციალიზაციის უხეშ ვადას. 2-3 წლის განმავლობაში, სპეციალიზებული აპლიკაციები სპექტრის მონიტორინგსა და სამეცნიერო გაზომვაში, სავარაუდოდ, ბაზარზე მოხვდება. სამხედრო და თავდაცვითი აპლიკაციები, სადაც ზომა, წონა და სიმძლავრის უპირატესობა ამართლებს პრემიუმ ხარჯებს, შეიძლება დაინახოს საველე განლაგება მსგავს ვადებში. სამომხმარებლო და ზოგადი კომერციული აპლიკაციები უფრო შორს არის - სავარაუდოდ 7-10 წლის განმავლობაში - ლაზერული მინიატურიზაციისა და ხარჯების შემცირების მიღწევების მოლოდინში.

სხვა კვანტურ ტექნოლოგიებთან პარალელი სასწავლო პროცესია. ატომური საათები მიჰყვებოდნენ მსგავს ტრაექტორიას: ოთახის ზომის ლაბორატორიული ინსტრუმენტებიდან 1950-იან წლებში ჩიპის მასშტაბის მოწყობილობებამდე, რომლებიც დღეს $1500-ზე ნაკლებია ხელმისაწვდომი. გადახრის საკვანძო წერტილი დადგა მაშინ, როდესაც დამხმარე ფოტონიკური კომპონენტები - ლაზერები, დეტექტორები და ოპტიკური ელემენტები - გახდა მასშტაბური წარმოება. Rydberg-ის მიმღებებისთვის ეს დახრის წერტილი უახლოვდება, რადგან ინტეგრირებული ფოტონიკა მწიფდება და ვერტიკალური ღრუს ზედაპირის გამოსხივების ლაზერები (VCSEL) მიაღწევენ საჭირო ტალღის სიგრძეს და სტაბილურობის დონეს.

მოწინავე ბიზნესისთვის, მთავარი არ არის კვანტური მიმღებების მოსვლას ლოდინი. ეს არის ოპერაციული ინფრასტრუქტურის შექმნა - ერთიანი პლატფორმები, მონაცემთა მოქნილი არქიტექტურები, ინტეგრირებული საკომუნიკაციო სამუშაო ნაკადები - რომელსაც შეუძლია შთანთქას და გამოიყენოს ტრანსფორმაციული ტექნოლოგიები მათი გაჩენისას. ორგანიზაციები, რომლებიც ყველაზე მეტად ებრძოდნენ ციფრულ ტრანსფორმაციას, არ იყვნენ ძველი ტექნიკის მქონე ორგანიზაციები; ისინი იყვნენ ფრაგმენტირებული პროგრამული სისტემებით, რომლებსაც არ შეეძლოთ ადაპტირება. დღეს კონსოლიდირებულ ოპერაციულ პლატფორმაზე აგება, იქნება ეს 5 თანამშრომელი თუ 5000-ის მართვა, ქმნის საფუძველს იმისთვის, რომ გამოიყენონ ტექნიკის ინოვაციების შემდეგი ტალღა.

დიდი სურათი: როდესაც ატომები ცვლის ანტენებს

ხელის რადიოსიგნალის წარმატებული გამოვლენა რიდბერგის ატომების გამოყენებით არის მნიშვნელოვანი ეტაპი, რომელიც მიეკუთვნება სხვა მომენტებს, როდესაც კვანტური ფიზიკა გაექცა ლაბორატორიას და შევიდა პრაქტიკულ სამყაროში - პირველი ტრანზისტორი, პირველი ლაზერი, პირველი GPS თანამგზავრი ატომური დროის სტანდარტების გამოყენებით. თითოეულ ამ ტექნოლოგიას ათწლეულები დასჭირდა დემონსტრაციიდან ყველგან გადასასვლელად, მაგრამ თითოეულმა საბოლოოდ შეცვალა ინდუსტრია ისე, როგორც მათ გამომგონებლებს არასდროს უწინასწარმეტყველებდნენ.

რადიოკავშირი არის 45 მილიარდი დოლარის გლობალური ინდუსტრია, რომელიც ფუნდამენტურად იგივე ფიზიკურ პრინციპებზე მუშაობს მარკონის პირველი ტრანსატლანტიკური გადაცემის შემდეგ 1901 წელს. რიდბერგის ატომის მიმღები არ იმეორებს ამ პრინციპებს - ის ცვლის მათ ფიზიკის სრულიად განსხვავებული ფილიალიდან გამოყვანილი რაღაცით. ბიზნესისთვის, ინჟინრებისთვის და ტექნოლოგიური სტრატეგებისთვის, ამ ხელის რადიოს სიგნალი არ არის მხოლოდ აუდიო. ეს არის მკაფიო, უტყუარი გზავნილი, რომ ელექტრომაგნიტური ზონდირებისა და კომუნიკაციის მომავალი ატომურია, და ორგანიზაციები, რომლებიც საუკეთესოდ განლაგებულნი იქნებიან სარგებელისთვის, იქნება ის, ვინც უკვე მუშაობს საკმარისად მოქნილ პლატფორმებზე, რომ განვითარდეს ტექნოლოგიასთან ერთად.