Rydberg atomlari qo'l radiosidan aniq signallarni aniqlaydi

Kvant qabul qiluvchilar hozirgina Walkie-Talkie signalini olishdi - va bu hamma narsani o'zgartiradi

O'nlab yillar davomida radioaloqa bir xil fundamental texnologiyaga tayanib keldi: elektromagnit to'lqinlarni elektr signallariga aylantiruvchi metall antennalar. U ishlaydi, lekin u qattiq jismoniy cheklovlar bilan birga keladi - o'lcham cheklovlari, chastota cheklovlari va shovqinlarga nisbatan zaiflik. Endi tadqiqotchilar qoidalarni butunlay qayta yozishi mumkin bo'lgan narsani namoyish qilishdi. Rydberg atomlari - favqulodda yuqori energiya holatlarida qo'zg'aladigan elektronli atomlar yordamida olimlar standart qo'l radiosidan uzatiladigan aniq, tushunarli signallarni muvaffaqiyatli aniqladilar. Bu marjinal laboratoriya yaxshilanishi emas. Bu kvant fizikasi asrlik antenna texnologiyasini tubdan ustun narsa bilan almashtirishi mumkinligi haqidagi tushunchaning isbotidir va uning oqibatlari mudofaa aloqalaridan tortib, kundalik korxonalar o‘z operatsiyalari va ulanishlarini qanday boshqarishigacha cho‘ziladi.

Rydberg atomlari nima va siz nima uchun g'amxo'rlik qilishingiz kerak?

Rydberg atomi - bu bir yoki bir nechta elektron juda yuqori asosiy kvant soniga qo'zg'atilgan atomdir - ba'zida 50, 100 yoki undan yuqori qiymatlarga etadi. Bu sathlarda elektron yadrodan uning asosiy holatiga nisbatan juda katta masofada aylanib, atomni tashqi elektr maydonlariga juda sezgir qiladi. Bitta Ridberg atomi oddiy asosiy holatdagi atomdan 10 000 marta katta bo‘lishi mumkin va uning elektromagnit nurlanishga nisbatan sezgirligi bu o‘lcham bilan keskin o‘zgaradi.

Mana shu sezgirlik Rydberg atomlarini radio qabul qiluvchilar kabi jozibali qiladi. An'anaviy antennalar ular aniqlagan to'lqin uzunligiga mos keladigan jismoniy o'lchamda bo'lishi kerak - bu miniatyuralashtirish va keng polosali qabul qilishni cheklaydigan asosiy cheklov. Ridberg atomlari buni butunlay chetlab o'tadi. Gugurt qutisidan kichikroq bug 'hujayrasi, seziy yoki rubidiy atomlari bilan to'ldirilgan aniq lazerlar tomonidan qo'zg'atilgan, kilogertsdan terahertzgacha bo'lgan chastota diapazonidagi signallarni aniqlay oladi. Yaqinda oʻtkazilgan namoyishda tadqiqotchilar oʻzlarining Rydberg priyomnikini taxminan 150 MGts chastotada ishlaydigan tijorat qoʻl radiosidan VHF diapazonidagi signalni olish uchun sozladilar – bu chastota butun dunyo boʻylab birinchi tibbiy yordam koʻrsatuvchilar, aviatsiya va son-sanoqsiz ishbilarmonlik radiotizimlari tomonidan qoʻllaniladi.

Signal shunchaki xom ma'lumot sifatida aniqlanmadi. U tiniq audio sifatida demodulyatsiya qilindi va qayta ishlab chiqarildi, bu Rydberg asosidagi qabul qiluvchilar nafaqat ekzotik laboratoriya qiziqishlari, balki amaliy aloqa moslamalari sifatida ham ishlashi mumkinligini isbotladi.

Nima uchun bu yutuq avvalgi kvant sensori demolariga qaraganda muhimroq

Kvant sensori avval ham ta'sirchan sarlavhalar yaratgan, ammo ko'plab namoyishlar ideal sharoitlarga ega qattiq nazorat ostidagi muhitda bo'lgan. Ushbu natijani ajratib turadigan narsa uning haqiqiy hayotda qo'llanilishidir. Qo'l radiosi siz topishingiz mumkin bo'lgan oddiy transmitterdir - batareya bilan ishlaydigan, ixcham, odatda 1 dan 5 vattgacha bo'lgan standart tijorat quvvatlarida ishlaydi. Rydberg atom qabul qilgichining bunday oddiy qurilmadan foydalanish mumkin bo'lgan signalni ajratib olishi texnologiya printsipni isbotlashdan tashqari, haqiqiy muhandislik hayotiyligiga qarab harakat qilayotganini ko'rsatadi.

An'anaviy antenna tizimlari Rydberg qabul qiluvchilari engib o'tishlari mumkin bo'lgan bir qancha taniqli cheklovlarga ega:

• O'lcham-chastota ulanishi: An'anaviy antennalar maqsadli to'lqin uzunligining muhim qismini tashkil qilishi kerak, shuning uchun past chastotali qabul qilish uchun jismoniy jihatdan katta tuzilmalar kerak bo'ladi. Rydberg qabul qiluvchilari aniqlashni jismoniy oʻlchamdan butunlay ajratadi.
• Transport kengligi cheklovlari: Aksariyat antennalar tor chastota diapazonlariga sozlangan. Ridberg atomlarini lazer chastotalarini sozlash orqali juda katta spektrda sozlash mumkin, bu esa dasturiy ta'minot tomonidan belgilangan keng polosali qabul qilish imkonini beradi.
• Elektromagnit parazit: Metall antennalar yaqin atrofdagi elektronika va inshootlardan shovqinni qabul qiladi. Rydberg priyomniklari optik koʻrsatkichlardan foydalanadi, bu esa ularni elektromagnit parazitlarning koʻp shakllaridan himoya qiladi.
• Kalibrlash drifti: An'anaviy qabul qiluvchilar mos yozuvlar standartlariga nisbatan davriy kalibrlashni talab qiladi. Rydberg atomlari tashqi havolalarsiz 1% dan past oʻlchov aniqligini taʼminlab, asosiy atom konstantalarigacha kuzatilishi mumkin boʻlgan oʻz-oʻzidan kalibrlanuvchi oʻlchovlarni taʼminlaydi.

Ushbu afzalliklar nima uchun DARPA dan tijoriy telekommunikatsiya laboratoriyalarigacha bo'lgan tashkilotlar Rydberg atom tadqiqotiga so'nggi besh yil ichida katta sarmoya kiritganini tushuntiradi, umumiy moliyalashtirish 2020 yildan buyon global miqyosda 100 million dollardan oshadi.

Fizika laboratoriyalaridan dalada qo'llashgacha: oldinda muhandislik muammolari

Hayajonga qaramay, Rydberg priyomniklari tijorat mahsulotlarida paydo bo'lishidan oldin muhim muhandislik to'siqlari mavjud. Hozirgi tizimlar atomlarni Rydberg holatiga qo'zg'atish uchun aniq lazerlarni talab qiladi - odatda seziy atomlari uchun 852 nm va 509 nm lazerlardan foydalangan holda ikki fotonli qo'zg'alish sxemasi. Ushbu lazer tizimlari tobora ixchamlashgan bo'lsa-da, oddiy simli antennaga qaraganda ko'proq quvvat sarflaydi va ko'proq hajmni egallaydi. Milliy Standartlar va Texnologiyalar Instituti (NIST) va bir nechta universitet laboratoriyalari tadqiqotchilari butun optik tizimni chipli platformaga qisqartirishi mumkin bo‘lgan integratsiyalangan fotonik yechimlar ustida ishlamoqda.

Harorat barqarorligi yana bir tashvish. Rydberg atom bug 'hujayralari optimal atom zichligini saqlab qolish uchun odatda 25 ° C dan 45 ° C gacha bo'lgan boshqariladigan haroratlarda eng yaxshi ishlaydi. Ekstremal muhitda - cho'l issiqligida, arktik sovuqda yoki harakatlanuvchi transport vositasining tebranishida - dalada foydalanish laboratoriya sozlamalari duch kelmaydigan qiyinchiliklarni keltirib chiqaradi. Biroq, integratsiyalashgan isitgichlar va issiqlik izolatsiyasiga ega mikro-fabrikali bug 'hujayralari bo'yicha so'nggi yutuqlar umid beruvchi natijalarni ko'rsatdi, ba'zi prototiplar 60°C atrof-muhit harorati oralig'ida ishlashni saqlab qoldi.

Signal-shovqin nisbati ham ayrim ilovalar uchun yaxshilanishi kerak. Portativ radio namoyishi aniq ovoz chiqargan bo'lsa-da, qabul qilgichning sezgirligi tor polosali signallar uchun taxminan 10-20 dB ga eng yaxshi an'anaviy qabul qiluvchilardan kam. Tadqiqotchilar buni koʻp fotonli qoʻzgʻalish sxemalari va elektromagnit induktsiyalangan shaffoflikni (EIT) optimallashtirish kabi usullar orqali hal qilmoqdalar, soʻnggi adabiyotlarda har yili taxminan 3-5 dB yaxshilanishlar qayd etilgan.

Antennadan keyingi dunyoda biznes aloqalari

Kvant radio qabul qiluvchilarning amaliy ta'siri harbiy va ilmiy qo'llanmalardan ancha kengroq. Zamonaviy korxonalar har kuni bog'liq bo'lgan aloqa infratuzilmasini ko'rib chiqing. Ombordagi radiotizimlar va flot dispetcherlik tarmoqlaridan tortib IoT sensorlar massivlari va binoning Wi-Fi tarmog'igacha elektromagnit aloqa deyarli har bir operatsion ish jarayonini asoslaydi. Yagona, ixcham qurilma bilan butun radio spektrini qabul qila oladigan texnologiya korxonalarning aloqa infratuzilmasini qurish va saqlashni tubdan soddalashtirishi mumkin.

Eng o'zgartiruvchi texnologiyalar mavjud tizimlarni nafaqat yaxshilaydi, balki ularni shakllantirgan cheklovlarni ham yo'q qiladi. Rydberg atom qabul qiluvchilari yaxshiroq antennalar yaratmaydi; ular chastotaga xos antenna tushunchasini eskiradi

Ko'p joylarda murakkab operatsiyalarni boshqaradigan korxonalar uchun aloqa qatlami ko'pincha ko'rinmas, ammo muhim bog'liqlikdir. CRM va hisob-fakturadan tortib parkni boshqarish va jamoani muvofiqlashtirishgacha bo'lgan 207 ta operatsion modulni yagona biznes OTga birlashtirgan Mewayz kabi platformalar allaqachon parchalangan tizimlarni birlashtirish qiymatini namoyish etmoqda. Kvant zondlash texnologiyasi etuklashgani va yanada moslashuvchan, moslashuvchan aloqa apparatini ta'minlaganligi sababli, biznes operatsiyalarini tartibga soluvchi dasturiy platformalar yanada kuchliroq bo'ladi. Tasavvur qiling, har qanday chastota diapazoni bo‘ylab ulanishni ta’minlovchi parkni boshqarish tizimlari yoki aloqalari mahalliy spektr sharoitlariga avtomatik moslashadigan dala xizmati guruhlari – integratsiyalashgan platformalar tomonidan taqdim etilgan operatsion tizim bu moslashuvchanlikni qo‘llash uchun muhim bo‘ladi.

Spektr monitoringi imkoniyati

Rydberg qabul qiluvchilari tez qabul qilinishini ko'rishlari mumkin bo'lgan yaqin muddatli ilovalardan biri bu spektrni kuzatish va boshqarish. Hukumatlar va FCC kabi tartibga soluvchi organlar har yili radio spektridan foydalanishni kuzatish, ruxsatsiz uzatishlarni aniqlash va chastotalarni taqsimlashni boshqarish uchun milliardlab mablag' sarflaydi. Joriy monitoring toʻliq spektrni qamrab olishi uchun turli xil antennalar va qabul qiluvchilar massivlarini talab qiladi — qimmat, texnik xizmat koʻrsatishni talab qiladigan yondashuv.

Yagona Rydberg atom sensori butun antenna fermasini almashtirishi mumkin, u HF dan mikroto'lqinli chastotalar orqali qahva termosi o'lchamidagi qurilma bilan skanerlaydi. Atom oʻlchovlarining oʻzini-oʻzi kalibrlash xususiyati bu sensorlar qonuniy ravishda kuzatilishi mumkin boʻlgan oʻlchovlarni joriy uskuna talab qiladigan davriy kalibrlash sikllarisiz taʼminlashini anglatadi – bu jarayon hozirda monitoring stantsiyalarini har yili bir necha kun oflayn rejimga olib boradi.

Tartibga solinadigan spektrli muhitda ishlaydigan korxonalar uchun - simsiz internet provayderlari, xususiy LTE tarmoq operatorlari, litsenziyalangan radiochastotalardan foydalanadigan logistika kompaniyalari uchun bu texnologiya muvofiqlik xarajatlarini keskin kamaytirishi mumkin. Operatsion platformalar bilan integratsiyalashgan avtomatlashtirilgan spektr monitoringi diagnostika bilan bog‘liq muammolarni real vaqt rejimida aniqlashi, aloqa uzilishlarini Mewayz kabi tizimlarda kuzatilgan biznesga ta’sir ma’lumotlari bilan o‘zaro bog‘lashi va spektr muammolarining haqiqiy narxini aniqlash va hal qilishning ustuvorligini belgilashi mumkin.

Keyingi nima bo'ladi: Kvant qabul qiluvchilar uchun vaqt jadvali

Mavjud tadqiqot traektoriyalari va sarmoya darajasiga asoslanib, sanoat kuzatuvchilari Rydberg qabul qiluvchisini tijoratlashtirish uchun taxminiy vaqt jadvalini taklif qilishadi. 2-3 yil ichida spektr monitoringi va ilmiy o'lchash bo'yicha ixtisoslashtirilgan ilovalar bozorga chiqishi mumkin. Hajmi, vazni va quvvat afzalliklari yuqori xarajatlarni oqlaydigan harbiy va mudofaa ilovalari shunga o'xshash vaqt oralig'ida maydonlarni joylashtirishni ko'rishi mumkin. Iste'molchi va umumiy tijorat ilovalari uzoqda - ehtimol 7-10 yil - lazerni miniatyuralashtirish va xarajatlarni kamaytirish bo'yicha yutuqlar kutilmoqda.

Boshqa kvant texnologiyalari bilan parallellik ibratli. Atom soatlari shunga o'xshash traektoriyani kuzatib bordi: 1950-yillarda xona o'lchamidagi laboratoriya asboblaridan tortib, bugungi kunda 1500 dollardan kamroq narxda mavjud bo'lgan chipli qurilmalargacha. Asosiy burilish nuqtasi qo'llab-quvvatlovchi fotonik komponentlar - lazerlar, detektorlar va optik elementlar - keng miqyosda ishlab chiqarilishi mumkin bo'lganda keldi. Rydberg qabul qiluvchilar uchun integral fotonik yetuklashgani va vertikal boʻshliqli sirtni chiqaruvchi lazerlar (VCSELs) talab qilinadigan toʻlqin uzunliklari va barqarorlik darajalariga yetganda, bu burilish nuqtasi yaqinlashmoqda.

Ilg'orni o'ylaydigan korxonalar uchun kvant qabul qiluvchilar kelishini kutish emas. Bu operatsion infratuzilmani - birlashtirilgan platformalar, moslashuvchan ma'lumotlar arxitekturalari, integratsiyalashgan aloqa ish oqimlarini - ular paydo bo'lganda transformatsion texnologiyalarni o'zlashtira oladigan va ulardan foydalana oladigan qurishdir. Raqamli transformatsiya bilan eng ko'p kurashgan tashkilotlar eski uskunaga ega bo'lmaganlar; ular moslasha olmaydigan parchalangan dasturiy ta'minot tizimlariga ega bo'lganlar edi. Bugungi kunda birlashtirilgan operatsion platformaga asoslanish, xoh 5 yoki 5 000 nafar xodimni boshqarish, keyingi apparat innovatsiyalari toʻlqini taqdim etadigan barcha narsalardan foydalanish uchun asos yaratadi.

Katta rasm: Atomlar antennalarni almashtirganda

Rydberg atomlari yordamida qoʻl radio signalining muvaffaqiyatli aniqlanishi kvant fizikasi laboratoriyadan qochib, amaliy dunyoga kirgan boshqa lahzalar bilan bir qatorda muhim voqea - birinchi tranzistor, birinchi lazer, atom vaqti standartlaridan foydalangan holda birinchi GPS sun'iy yo'ldoshi. Bu texnologiyalarning har biri namoyish qilishdan hamma joyda foydalanishga o‘tish uchun o‘nlab yillar kerak bo‘ldi, lekin oxir-oqibat ularning har biri sanoatni o‘z ixtirochilari bashorat qilmagan tarzda o‘zgartirdi.

Radioaloqa 45 milliard dollarlik global sanoat boʻlib, u Markoni 1901-yilda ilk transatlantik translyatsiyasidan buyon bir xil jismoniy tamoyillar asosida ishlagan. Rydberg atom qabul qiluvchisi bu tamoyillarni takrorlamaydi — ularni fizikaning mutlaqo boshqa boʻlimidan olingan narsa bilan almashtiradi. Korxonalar, muhandislar va texnologiya strateglari uchun o'sha qo'l radiosi signali shunchaki audio emas. Bu elektromagnit zondlash va aloqaning kelajagi atom bo‘lishi va texnologiyadan foydalanish uchun yetarli darajada moslashuvchan platformalarda faoliyat yuritayotgan tashkilotlar eng yaxshi foyda ko‘rishi aniq va shubhasiz.

Ko'p beriladigan savollar

Rydberg atomlari nima va ular nima uchun aniqlash uchun yaxshi?

Rydberg atomlari - bu eng tashqi elektronlari juda yuqori energiya holatlarida qo'zg'atilgan atomlar bo'lib, ularni radio to'lqinlardagi kabi tashqi elektr maydonlariga juda sezgir qiladi. Bu sezgirlik ularga an'anaviy metall antennalarga qaraganda aniqlik darajasida va kengroq chastota diapazonida signallarni aniqlash imkonini beradi. Oyiga $19 evaziga 200 dan ortiq oʻquv modullarini taklif qiluvchi Mewayz kabi platformalar ushbu ilgʻor kvant tushunchalarini tushunish uchun qulay resurslarni taqdim etadi.

Ratsiya signalini aniqlashning ahamiyati nimada edi?

Standart, kam quvvatli radio signalini aniqlash ushbu kvant texnologiyasi nafaqat laboratoriya tajribalarini, balki real aloqalarni ham boshqarishi mumkinligini isbotlaydi. Bu an'anaviy radiolardan ustun bo'lishi mumkin bo'lgan o'ta sezgir, miniatyuralashtirilgan qabul qiluvchilarni yaratish yo'lidagi amaliy qadamni ko'rsatadi. Bu yutuq zamonaviy texnologiya kurslaridagi asosiy mavzu, jumladan Mewayz kabi platformalarda mavjud modullardir.

Ushbu texnologiya kundalik muloqotni qanday o'zgartirishi mumkin?

Rydberg asosidagi qabul qiluvchilar kichikroq va samaraliroq xavfsizroq, shovqinlarga chidamli aloqa tizimlariga olib kelishi mumkin. Ular potentsial ravishda bir nechta ixtisoslashgan antennalarni almashtirib, bitta qurilma bilan keng chastota diapazonida ishlashi mumkin edi. Mewayz kabi xizmatlardan tuzilgan oʻrganish yoʻllari yordamida kelajakdagi bu ilovalarni tushunish osonroq.

Ushbu texnologiya mening joriy radioimni almashtirishga tayyormi?

Hali emas. Bu kontseptsiyaning ishlashini isbotlovchi laboratoriya namoyishi. Texnologiyani ixcham, arzon va boshqariladigan muhitdan tashqarida ishlashga yaroqli qilishda muhim muhandislik muammolari saqlanib qolmoqda. Biroq, bu bosqich rivojlanishni tezlashtiradi. Rivojlanayotgan ushbu sohani kuzatishga qiziquvchilar uchun Mewayz eng soʻnggi fizika va muhandislik boʻyicha eng soʻnggi modullarni taklif etadi.