Физики из Национального института стандартов и технологий США (NIST), в тесном сотрудничестве с оборонным подрядчиком RTX, создали инновационный прототип радара, основанный на принципах квантовых технологий. Этот прототип отличается от традиционных радарных систем способом регистрации отражённых радиоволн — вместо привычных металлических антенн в его конструкции используется крошечное облако атомов цезия, находящееся внутри стеклянной колбы. Такая идея является частью развивающейся области квантовых сенсоров, которые используют уникальные свойства квантовых систем для повышения точности измерений. На данный момент разработка находится на ранней стадии и не готова для коммерческого внедрения, однако уже сейчас демонстрирует значительный потенциал для применения в сферах подповерхностной разведки, включая поиск коммуникаций, бурение скважин, археологические исследования и другие задачи, где важна высокая точность и чувствительность.
Классическая работа радара сводится к тому, что он излучает радиоволны и фиксирует их отражение от различных объектов — вся разница лишь в методе обработки сигналов, а главное отличие этого нового устройства — в приёмной системе. В нем роль антенны выполняют атомы, переведённые в состояние Ридберга (такое состояние возникает при возбуждении атомов лазером). Для достижения этого состояния лазеры “раздувают” атомы цезия до размеров, превышающих их обычный радиус примерно в 10 000 раз. Когда радиоволны проходят через эти атомы, происходят изменения в распределении электронов около ядра, что влияет на физические свойства атомов. Эти изменения фиксируются с помощью лазерного зондирования через сдвиг спектра света, излучаемого атомами. Такой подход позволяет радару работать в широком диапазоне частот без необходимости менять конструкцию или перенастраивать оборудование, что существенно расширяет его функциональные возможности.
В ходе проведённых испытаний система была помещена в экранированное помещение, оснащённое радиопоглощающими материалами на стенах, полу и потолке. Передатчик и приёмник, основанные на атомах Ридберга, были нацелены на объекты из меди и стали — металлические образцы, расположенные на расстоянии до 5 метров. В результате устройство смогло определить точные позиции этих объектов с погрешностью менее 5 сантиметров — иллюстрация, свидетельствующая о высокой точности достигнутых результатов. Фото, опубликованное источником, демонстрирует устройство и его рабочий принцип: радар на атомах Ридберга способен видеть под землёй объекты с точностью, доступной ранее только для более громоздких систем.
Одна из ключевых перспектив — возможность уменьшить размеры системы до миниатюрных масштабов. По словам автора проекта, физика Мэтью Саймонса, сама стеклянная колба с атомами цезия может быть сведена к размеру всего около одного сантиметра, что существенно упростит внедрение данной технологии «на полях» или в мобильных устройствах. Такой компактный формат позволит отказаться от громоздких металлических конструкций, повысит мобильность и снизит потребление энергии. Инженеры и учёные уже рассматривают внедрение таких мини-радаров в направлениях, где важна компактность и стабильность работы — например, в автомобильных системах автономного вождения, разведке подземных коммуникаций или в археологических исследованиях.
Главное достижение команды — эффективная интеграция атомного приёмника с остальной системой в более устойчивую, компактную конфигурацию по сравнению с предыдущими экспериментами. Уже проведённые испытания показывают, что такие сенсоры могут использоваться для точного измерения радиочастотных сигналов, что актуально в области связи и навигации. Как отмечают разработчики, подобные сенсоры будут особенно полезны там, где критически важна стабильность и точность, ведь атомы цезия обладают свойствами, определяемыми фундаментальными физическими константами. Это обеспечивает неизменность характеристик и снижает необходимость регулярной калибровки — ключевое преимущество, которое выделяет квантовые сенсоры среди традиционных решений.
Интересно, что технологии, используемые в таких квантовых радарах, перекликаются с разработками в области квантовых компьютеров. Например, атомы Ридберга уже активно используются в качестве кубитов, а методы квантовой коррекции ошибок находят прототипы внедрения в сенсоры и системы связи. Такой межотраслевой синтез технологий ускоряет развитие квантовых устройств и открывает новые горизонты для их применения во многих сферах от безопасности и разведки до медицины и космических исследований.
Несмотря на текущие ограничения и недавний этап разработки, потенциал квантовых радаров огромен. Они, вероятно, найдут свою нишу в тех областях, где важна миниатюризация, многофункциональность и высокая чувствительность к слабым сигналам. Особое внимание уделяется дальнейшему повышению чувствительности и устойчивости к помехам, например, за счёт улучшения качества колб и усиления обработки сигнала. В перспективе возможно создание полностью автономных и мобильных систем, способных выполнять задачи, ранее невозможные для классических радарных технологий, что делает их крайне актуальными в новых глобальных стратегиях разведки, безопасности и научных исследований будущего.