Rydbergo atomai aptinka aiškius signalus iš rankinio radijo

Kvantiniai imtuvai ką tik paėmė racijos signalą – ir tai viską pakeičia

Dešimtmečius radijo ryšys buvo pagrįstas ta pačia pagrindine technologija: metalinėmis antenomis, paverčiančiomis elektromagnetines bangas į elektrinius signalus. Jis veikia, tačiau turi griežtų fizinių apribojimų – dydžio apribojimus, dažnio apribojimus ir pažeidžiamumą trukdžiams. Dabar mokslininkai įrodė kažką, kas galėtų visiškai perrašyti taisykles. Naudodami Rydbergo atomus – atomus, kurių elektronai sužadinami iki nepaprastai didelės energijos būsenos – mokslininkai sėkmingai aptiko aiškius, suprantamus signalus, perduodamus iš standartinio rankinio radijo. Tai nėra ribinis laboratorijos patobulinimas. Tai koncepcijos įrodymas, kad kvantinė fizika gali pakeisti šimtmečio senumo antenų technologiją kažkuo iš esmės pranašesniu, o pasekmės apima nuo gynybos ryšių iki to, kaip kasdienės įmonės valdo savo operacijas ir ryšį.

Kas yra Rydbergo atomai ir kodėl jums tai turėtų rūpėti?

Rydbergo atomas yra atomas, kuriame vienas ar daugiau elektronų buvo sužadinti iki itin didelio pagrindinio kvantinio skaičiaus, kartais pasiekiančio 50, 100 ar daugiau. Šiuose lygiuose elektronas skrieja dideliais atstumais nuo branduolio, palyginti su jo pagrindine būsena, todėl atomas yra nepaprastai jautrus išoriniams elektriniams laukams. Vienas Rydbergo atomas gali būti 10 000 kartų didesnis nei įprastas pagrindinės būsenos atomas, o jo jautrumas elektromagnetinei spinduliuotei smarkiai padidėja esant tokiam dydžiui.

Dėl šio jautrumo Rydbergo atomai yra tokie patrauklūs kaip radijo imtuvai. Tradicinės antenos turi būti fiziškai tokio dydžio, kad atitiktų jų aptinkamą bangos ilgį – tai esminis apribojimas, ribojantis miniatiūrizavimą ir plačiajuosčio ryšio priėmimą. Rydbergo atomai tai visiškai apeina. Garų elementas, mažesnis už degtukų dėžutę, užpildytas preciziniais lazeriais sužadintais cezio arba rubidžio atomais, gali aptikti signalus dažnių diapazone nuo kilohercų iki terahercų. Neseniai vykusios demonstracijos metu mokslininkai sureguliavo savo Rydberg imtuvą, kad gautų VHF dažnių juostos signalą iš komercinio rankinio radijo, veikiančio maždaug 150 MHz dažniu – šiuo dažniu naudojasi pirmieji gelbėtojai, aviacija ir daugybė verslo radijo sistemų visame pasaulyje.

Signalas buvo aptiktas ne tik kaip neapdoroti duomenys. Jis buvo demoduliuotas ir atkurtas kaip aiškus garsas, įrodantis, kad Rydberg imtuvai gali veikti kaip praktiški ryšio įrenginiai, o ne tik kaip egzotiški laboratoriniai įdomūs dalykai.

Kodėl šis proveržis svarbesnis nei ankstesnės kvantinio jutimo demonstracinės versijos

Kvantinis jutimas jau anksčiau buvo paskelbtas įspūdingomis antraštėmis, tačiau daug demonstracijų buvo vykdoma griežtai kontroliuojamoje aplinkoje idealiomis sąlygomis. Šį rezultatą išskiria jo pritaikymas realiame pasaulyje. Rankinis radijas yra toks pat įprastas siųstuvas, kokį galite rasti – maitinamas baterijomis, kompaktiškas, veikiantis standartiniu komerciniu galios lygiu, paprastai nuo 1 iki 5 vatų. Tai, kad Rydbergo atomo imtuvas gali išgauti tinkamą signalą iš tokio įprasto įrenginio, rodo, kad ši technologija žengia daugiau nei įrodoma į principą ir siekia tikro inžinerinio gyvybingumo.

Tradicinės antenos turi keletą gerai žinomų apribojimų, kuriuos Rydberg imtuvai gali įveikti:

• Dydžio ir dažnio sujungimas: įprastos antenos turi sudaryti didelę tikslinio bangos ilgio dalį, todėl žemo dažnio priėmimui reikalingos fiziškai didelės struktūros. Rydberg imtuvai visiškai atsieja aptikimą nuo fizinio dydžio.
• Pralaidumo apribojimai: dauguma antenų pritaikytos siauroms dažnių juostoms. Rydbergo atomai gali būti suderinti didžiuliame spektre tiesiog koreguojant lazerio dažnius ir įgalinant programinės įrangos apibrėžtą plačiajuosčio ryšio priėmimą.
• Elektromagnetiniai trukdžiai: metalinės antenos sugeria triukšmą iš netoliese esančių elektronikos įrenginių ir konstrukcijų. Rydberg imtuvai naudoja optinį rodmenį, todėl jie yra atsparūs daugeliui elektromagnetinių trukdžių formų.
• Kalibravimo poslinkis: įprastus imtuvus reikia periodiškai kalibruoti pagal atskaitos standartus. Rydbergo atomai suteikia savaime kalibruojančius matavimus, atsekančius pagrindines atomų konstantas, todėl matavimo tikslumas yra mažesnis nei 1 % be išorinių nuorodų.

Šie pranašumai paaiškina, kodėl organizacijos nuo DARPA iki komercinių telekomunikacijų laboratorijų per pastaruosius penkerius metus daug investavo į Rydbergo atomų tyrimus, o bendras finansavimas nuo 2020 m. visame pasaulyje viršijo 100 mln. USD.

Nuo fizikos laboratorijų iki diegimo vietoje: laukiantys inžineriniai iššūkiai

Nepaisant įspūdžių, kol Rydberg imtuvai pasirodys komerciniuose produktuose, išlieka didelių inžinerinių kliūčių. Dabartinėms sistemoms reikalingi tikslūs lazeriai, kad sužadintų atomus iki jų Rydbergo būsenų – paprastai dviejų fotonų sužadinimo schema, naudojant 852 nm ir 509 nm cezio atomų lazerius. Šios lazerinės sistemos, nors ir vis kompaktiškesnės, vis tiek sunaudoja daugiau energijos ir užima daugiau tūrio nei paprasta laidinė antena. Nacionalinio standartų ir technologijų instituto (NIST) ir kelių universitetų laboratorijų mokslininkai kuria integruotus fotoninius sprendimus, kurie galėtų sutraukti visą optinę sistemą į lusto masto platformą.

Kitas rūpestis yra temperatūros stabilumas. Rydbergo atomų garų elementai geriausiai veikia kontroliuojamoje temperatūroje, paprastai nuo 25 °C iki 45 °C, kad būtų išlaikytas optimalus atominis tankis. Ekstremaliose aplinkose – dykumos karštyje, arktiniame šaltyje ar judančios transporto priemonės vibracijose – kyla iššūkių, su kuriais laboratorijos įrenginiai nesusiduria. Tačiau pastarojo meto pažanga naudojant mikroelementus su integruotais šildytuvais ir šilumine izoliacija parodė daug žadančių rezultatų – kai kurie prototipai išlaiko našumą 60 °C aplinkos temperatūros diapazone.

Kai kuriose programose taip pat reikia pagerinti signalo ir triukšmo santykį. Nors demonstruojant rankinį radiją buvo sukurtas aiškus garsas, imtuvo jautrumas vis tiek mažesnis už geriausių įprastų imtuvų siaurajuosčio ryšio signalams maždaug 10–20 dB. Tyrėjai tai sprendžia taikydami tokius metodus kaip kelių fotonų sužadinimo schemas ir elektromagnetiniu būdu sukelto skaidrumo (EIT) optimizavimą, o naujausioje literatūroje pranešama apie 3–5 dB metinį pagerėjimą.

Verslo komunikacijos pasaulyje po antenos

Praktinė kvantinių radijo imtuvų reikšmė neapsiriboja kariniais ir moksliniais tikslais. Apsvarstykite ryšių infrastruktūrą, nuo kurios kasdien priklauso šiuolaikinės įmonės. Nuo sandėlio radijo sistemų ir transporto priemonių parko dispečerinių tinklų iki daiktų interneto jutiklių matricų ir visame pastate veikiančio „Wi-Fi“ – elektromagnetinis ryšys yra beveik kiekvienos veiklos darbo eigos pagrindas. Technologija, galinti priimti per visą radijo spektrą vienu kompaktišku įrenginiu, galėtų iš esmės supaprastinti, kaip įmonės kuria ir prižiūri savo ryšių infrastruktūrą.

Labiausiai transformuojančios technologijos ne tik pagerina esamas sistemas – jos pašalina jas sukūrusius suvaržymus. Rydbergo atomo imtuvai negamina geresnių antenų; dėl jų dažniui būdingos antenos koncepcija paseno.

Įmonėms, tvarkančioms sudėtingas operacijas keliose vietose, ryšių sluoksnis dažnai yra nematoma, bet svarbi priklausomybė. Tokios platformos kaip Mewayz, sujungiančios 207 veiklos modulius – nuo ​​CRM ir sąskaitų faktūrų išrašymo iki transporto parko valdymo ir komandos koordinavimo – į vieną verslo OS, jau įrodo suskaidytų sistemų suvienijimo vertę. Kai kvantinio jutimo technologija bręsta ir įgalina lankstesnę, atsparesnę komunikacijos įrangą, programinės įrangos platformos, organizuojančios verslo operacijas, taps dar galingesnės. Įsivaizduokite transporto parko valdymo sistemas, palaikančias ryšį bet kurioje dažnių juostoje, arba lauko aptarnavimo komandas, kurių ryšiai automatiškai prisitaiko prie vietinių spektro sąlygų – integruotų platformų suteikiamas veikimo pagrindas būtų būtinas norint išnaudoti šį lankstumą.

Spektro stebėjimo galimybė

Viena trumpalaikė programa, kurioje Rydberg imtuvai galėtų greitai pradėti naudotis, yra spektro stebėjimas ir valdymas. Vyriausybės ir reguliavimo institucijos, pvz., FCC, kasmet išleidžia milijardus radijo spektro naudojimo stebėjimui, neteisėtų transliacijų aptikimui ir dažnių paskirstymo valdymui. Dabartiniam stebėjimui reikia įvairių antenų ir imtuvų, kad apimtų visą spektrą – tai brangus ir daug priežiūros reikalaujantis metodas.

Vienas Rydbergo atomo jutiklis galėtų pakeisti visą antenų fermą, skenuojant iš HF per mikrobangų dažnius kavos termoso dydžio įrenginiu. Savaime kalibruojantis atominių matavimų pobūdis reiškia, kad šie jutikliai užtikrintų legaliai atsekamus matavimus be periodinių kalibravimo ciklų, kurių reikalauja dabartinė įranga – šiuo metu stebėjimo stotys išjungiamos kelias dienas kiekvienais metais.

Įmonėms, veikiančioms reguliuojamo spektro aplinkoje – belaidžio interneto paslaugų teikėjams, privačių LTE tinklų operatoriams, logistikos įmonėms, naudojančioms licencijuotus radijo dažnius – ši technologija gali žymiai sumažinti atitikties išlaidas. Automatinis spektro stebėjimas, integruotas su veikiančiomis platformomis, gali realiu laiku pažymėti trikdžių problemas, susiejant ryšio sutrikimus su verslo poveikio duomenimis, stebimais tokiose sistemose kaip Mewayz, kad būtų galima kiekybiškai įvertinti faktines spektro problemų išlaidas ir teikti pirmenybę sprendimui.

Kas nutiks toliau: kvantinių imtuvų laiko juosta

Remiantis dabartinėmis tyrimų trajektorijomis ir investicijų lygiu, pramonės stebėtojai siūlo apytikslį Rydberg imtuvo komercializavimo terminą. Tikėtina, kad per 2–3 metus rinką pasieks specializuotos spektro stebėjimo ir mokslinio matavimo programos. Karinės ir gynybos programos, kuriose dydis, svoris ir galios pranašumai pateisina dideles išlaidas, gali būti panaudoti vietoje per panašų laikotarpį. Vartotojams ir bendroms komercinėms reikmėms taikomi toliau – greičiausiai po 7–10 metų – laukiama proveržio miniatiūrizuojant lazeriu ir sumažinant sąnaudas.

Paralelė su kitomis kvantinėmis technologijomis yra pamokanti. Atominiai laikrodžiai ėjo panašia trajektorija: nuo kambario dydžio laboratorinių instrumentų XX a. šeštajame dešimtmetyje iki lusto masto prietaisų, kuriuos šiandien galima įsigyti už mažiau nei 1500 USD. Pagrindinis posūkio taškas atsirado, kai atraminiai fotoniniai komponentai – lazeriai, detektoriai ir optiniai elementai – tapo gaminami dideliu mastu. Rydberg imtuvams šis posūkio taškas artėja, kai bręsta integruota fotonika ir vertikalios ertmės paviršių spinduliuojantys lazeriai (VCSEL) pasiekia reikiamus bangos ilgius ir stabilumo lygius.

Į ateitį mąstančioms įmonėms svarbiausia ne laukti, kol ateis kvantiniai imtuvai. Tai turi sukurti veikiančią infrastruktūrą – vieningas platformas, lanksčias duomenų architektūras, integruotas komunikacijos darbo eigas – kuri galėtų įsisavinti ir panaudoti besikeičiančias technologijas, kai jos atsiranda. Su skaitmenine transformacija labiausiai kovojo ne organizacijos, turinčios seną aparatinę įrangą; tai buvo tie, kurių programinės įrangos sistemos buvo suskaidytos, kurios negalėjo prisitaikyti. Remiantis konsoliduota veiklos platforma šiandien, nesvarbu, ar valdote 5, ar 5 000 darbuotojų, sukuriamas pagrindas, leidžiantis pasinaudoti bet kokia kita aparatinės įrangos naujovių banga.

Didesnis vaizdas: kai atomai pakeičia antenas

Sėkmingas delninio radijo signalo aptikimas naudojant Rydbergo atomus yra svarbus įvykis, susijęs su kitais momentais, kai kvantinė fizika pabėgo iš laboratorijos ir įžengė į praktinį pasaulį – pirmasis tranzistorius, pirmasis lazeris, pirmasis GPS palydovas naudojant atominio laiko standartus. Kiekvienai iš šių technologijų prireikė dešimtmečių, kol nuo demonstravimo pereiti prie visur naudojamų technologijų, tačiau kiekviena galiausiai pakeitė pramonės šakas taip, kaip jų išradėjai niekada nenumatė.

Radijo ryšys yra 45 milijardų dolerių vertės pasaulinė pramonė, kuri iš esmės veikė tais pačiais fiziniais principais nuo pat Marconi transatlantinio perdavimo 1901 m.. Rydbergo atomo imtuvas nesikartoja šių principų – jis pakeičia juos kažkuo, paimtu iš visiškai kitos fizikos šakos. Įmonėms, inžinieriams ir technologijų strategams to rankinio radijo signalas yra ne tik garsas. Tai aiški ir neabejotina žinia, kad elektromagnetinio jutimo ir komunikacijos ateitis yra atominė, o organizacijos, kurios jau veikia pakankamai lanksčiose platformose, kad galėtų tobulėti kartu su technologijomis, bus naudingos.

Dažniausiai užduodami klausimai

Kas yra Rydbergo atomai ir kodėl jie tinkami aptikti?

Rydbergo atomai yra atomai, kurių atokiausi elektronai sužadinami iki labai didelės energijos būsenos, todėl jie yra itin jautrūs išoriniams elektriniams laukams, pavyzdžiui, radijo bangoms. Šis jautrumas leidžia jiems aptikti signalus tikslumu ir platesniu dažnių diapazonu nei tradicinės metalinės antenos. Tokios platformos kaip „Mewayz“, siūlančios daugiau nei 200 mokymosi modulių už 19 USD per mėnesį, suteikia prieinamų išteklių, kad suprastų šias pažangias kvantines koncepcijas.

Kokia buvo racijos signalo aptikimo reikšmė?

Standartinio, mažos galios racijos signalo aptikimas įrodo, kad ši kvantinė technologija gali valdyti realų ryšį, o ne tik laboratorinius eksperimentus. Tai rodo praktišką žingsnį kuriant itin jautrius, miniatiūrinius imtuvus, kurie galėtų pranokti įprastus radijo imtuvus. Šis laimėjimas yra pagrindinė šiuolaikinių technologijų kursų tema, įskaitant modulius, pasiekiamus tokiose platformose kaip „Mewayz“.

Kaip ši technologija galėtų pakeisti kasdienį bendravimą?

Dėl Rydbergo imtuvų gali būti sukurtos saugesnės, atsparesnės trukdžiams ryšio sistemos, kurios yra mažesnės ir efektyvesnės. Jie gali veikti plačiame dažnių spektre su vienu įrenginiu, galbūt pakeisdami kelias specializuotas antenas. Šias būsimas programas lengviau suprasti naudojant struktūrinius mokymosi kelius iš tokių paslaugų kaip „Mewayz“.

Ar ši technologija paruošta pakeisti mano dabartinį radiją?

Dar ne. Tai laboratorinis demonstravimas, įrodantis koncepcijos veikimą. Tebėra didelių inžinerinių iššūkių, kad technologija būtų kompaktiška, prieinama ir tinkama naudoti ne kontroliuojamoje aplinkoje. Tačiau šis etapas sparčiai paspartina plėtrą. Tiems, kurie domisi šia besivystančia sritimi, „Mewayz“ siūlo naujausius pažangiausios fizikos ir inžinerijos modulius.