Физики из Национального института стандартов и технологий США (NIST) в сотрудничестве с оборонным подрядчиком RTX создали инновационный прототип радара, который использует принципиально новую технологию обнаружения объектов. В отличие от традиционных радарных систем, основанных на металлических антеннах, этот прибор регистрирует отражённые радиоволны с помощью крошечного облака атомов цезия, заключённого в стеклянную колбу. Такая концепция относится к области квантовых сенсоров — устройств, использующих уникальные свойства квантовых систем для проведения точных измерений.
Несмотря на то, что данная разработка ещё находится в стадии экспериментов и до коммерческого внедрения далеко, она уже демонстрирует значительный потенциал для применения в подповерхностной съёмке, разведке и поиске коммуникационных каналов, а также в археологии. Связь с традиционным радаром сохраняется — устройство посылает радиоволны, которые отражаются от объектов и возвращаются к приёмнику, после чего система фиксирует задержку сигнала для определения расстояния. Однако главный отличительный момент — в роли приёмника выступают именно атомы цезия, переведённые в особое состояние Ридберга, что делает систему исключительно чувствительной и точной.
Процесс основан на лазерной «раздувке» атомов: лазеры приводят атомы цезия в состояние, когда их размеры достигают примерно в 10 000 раз превышения их естественного радиуса. Попадая на такие атомы, радиоволны вызывают изменение распределения электронов вокруг ядра, что фиксируется с помощью лазерного зондирования через изменение цвета свечения атомов. Такой метод позволяет получать широкий диапазон частот без необходимости перестраивать аппаратурное обеспечение, что делает его чрезвычайно гибким.
В ходе испытаний квантовый радар был размещён в специально экранированной комнате с радиопоглощающими мишенями на стенах, потолке и полу. Испытания прошли успешно: прицельные устройства, такие как медные пластины и металлические трубы, обнаруживались на расстоянии до 5 метров с точностью до 4,7 сантиметров. Эти результаты свидетельствуют о высокой чувствительности системы, способной не только обнаруживать металлические объекты, но и определять их точное расположение.
Конечно, первоочередная задача на будущее — создание более компактной версии системы. Физик Мэттью Саймонс из NIST отмечает, что сама стеклянная колба с атомами может иметь размер всего около одного сантиметра, что откроет новые возможности по применению таких радаров в ограниченных пространствах и для различных тактических задач. Удаление громоздких металлических приставок увеличит мобильность и устойчивость устройств, что особенно важно для военно-промышленных и гражданских целей.
Основное преимущество квантовых сенсоров заключается в их высокой стабильности. Атомы цезия являются идентичными и отличаются заведомо заданной структурой, которая определяется фундаментальными физическими константами. Это существенно уменьшает необходимость калибровки и обеспечивает долгосрочную точность при измерениях. Более того, компоненты системы перекликаются с разработками в области квантовых вычислений — атомы-кубиты из Ридберга активно применяются в квантовых компьютерах, а методы квантовой коррекции ошибок находят применение и в сенсорных системах.
Возрастает интерес к использованию таких систем в различных прикладных сферах. Например, квантовые радары могут эффективно функционировать в условиях сложных радиопомех или в регионах с сильным фоновым шумом. Это особенно важно в оборонной сфере, где точные и надёжные средства разведки являются критически важными. Кроме того, в гражданской сфере новая технология может быть применена для поиска подземных коммуникаций, оценки влажности почв или даже в археологических раскопках для выявления скрытых древних структур без необходимости разрушительных раскопок.
Несмотря на все преимущества, существуют и вызовы. Необходимы дальнейшие работы по повышению чувствительности, уменьшению размеров элементов и расширению диапазона обнаружения слабых сигналов. Усовершенствование покрытия колбы и использование новых материалов могут существенно улучшить характеристики системы. Учёные уверены, что в будущем квантовые радары плавно интегрируются в более широкие системы наблюдения и разведки, открывая новые горизонты в области радиолокационных технологий и квантовых устройств. Такой прогресс обещает революцию в точности измерений и возможности самостоятельного обнаружения объектов даже в самых сложных условиях, что станет значительным шагом вперёд для науки и техники.
