Współczesny świat jest naszpikowany falami radiowymi i mikrofalami: od Wi-Fi i Bluetooth, przez radary samochodowe, po łączność satelitarną. Żeby je odebrać, używamy anten podłączonych czasem do całych pięter elektroniki, która wzmacnia i obrabia sygnał. Taka technologia działa świetnie w telefonie czy routerze, ale ma poważną wadę - odbiornik sam generuje własne mikrofale i szumy. Kiedy więc chcemy bardzo precyzyjnie zmierzyć wyjątkowo słaby sygnał, np. obok czułej aparatury kwantowej albo w radioastronomii, klasyczne radio potrafi bardziej przeszkadzać niż pomagać.

Tu pojawia się pomysł radia na atomach. Atom, odpowiednio przygotowany, może działać jak pojedyncza, niezwykle czuła antena. Natomiast informację o tym, co „usłyszał”, przekazuje nie przez przewód z prądem, tylko przez zmianę tego, jak przepuszcza światło. Dzięki temu można zbudować odbiornik, który sam prawie niczego nie wysyła „w eter”, a jedynie nasłuchuje.

Naukowcy z Warszawy w swojej pracy opublikowanej w Nature Communications, oparli się na tzw. atomach Rydberga. To atomy, w których jeden elektron został wybity bardzo wysoko, na daleką orbitę wokół jądra. Taki atom jest jak ogromna, delikatna kula, której rozmiar jest setki razy większy niż zwykłego atomu. Przez to staje się ekstremalnie czuły na pola elektryczne, w tym na mikrofale. Nawet słaby sygnał mikrofalowy potrafi wyraźnie zmienić jego stan.

W szklanej komórce umieszcza się parę rubidu i oświetla ją kilkoma laserami. Część wiązek ustawia atomy w odpowiednim stanie, blisko poziomu Rydbergowskiego. Inna, wąska wiązka pełni rolę sondy: przechodzi przez opary rubidu na wylot. Kiedy do atomów docierają mikrofale z zewnątrz, zmienia się stopień, w jakim przepuszczają tę wiązkę – a więc rośnie lub maleje jej natężenie i faza. Z tych subtelnych zmian można odczytać informację o sygnale mikrofalowym, tak jak z klasycznego radia odczytujemy modulację fali.

W zwykłych odbiornikach potrzebny jest tzw. lokalny oscylator, czyli własny, dość silny sygnał mikrofalowy o znanej częstotliwości, który miesza się z odbieraną falą, żeby wydobyć z niej informację. Badacze z Warszawy postanowili zrezygnować z dodatkowego źródła mikrofal przy detektorze. Rolę takiego odniesienia przejmują lasery. To one ustawiają atomy w odpowiednim stanie i sprawiają, że reagują na mikrofale w bardzo kontrolowany, przewidywalny sposób.

Pojawia się jednak inny problem - lasery nie są idealnie stabilne. Ich częstotliwość lekko „pływa”, co wprowadza szum i może zagłuszyć bardzo słaby sygnał. Zespół więc część światła z tych samych laserów kieruje do dodatkowego toru optycznego, w którym znajduje się specjalny kryształ. W tym krysztale zachodzi tzw. mieszanie nieliniowe. Mówiąc prosto, z dwóch wiązek powstaje trzecia, bardzo czuła na wszelkie drgania i niestabilności laserów. Na wyjściu dostajemy więc mapę szumu samych laserów. Komputer może ją potem cyfrowo odjąć od sygnału z komórki z atomami, zostawiając możliwie czysty zapis tego, co naprawdę przyszło z zewnątrz.

W efekcie odbiornik potrafi wyłapać bardzo słabe mikrofale, zdecydowanie poniżej poziomu, w którym funkcjonują klasyczne systemy łączności. Co ważne, nie chodzi tylko o prosty sygnał harmoniczny. Naukowcy pokazują, że ich układ odbiera normalnie kodowane dane, na przykład sygnał z modulacją podobną do tej używanej w nowoczesnych sieciach telekomunikacyjnych. To znaczy, że to nie jest ciekawostka naukowa, ale pełnoprawny prototyp realnego odbiornika.

Tego typu radia na atomach mogą trafić wszędzie tam, gdzie trzeba mierzyć sygnały bez wnoszenia dodatkowego zakłócenia: do laboratoriów pracujących nad komputerami kwantowymi, do kontroli jakości bardzo szybkiej elektroniki, do miniaturowych radarów w autonomicznych pojazdach, a kiedyś może i do radioastronomii, która nasłuchuje najdrobniejszych szmerów z kosmosu. (PAP)

Nauka w Polsce

kmp/ agt/