Физики из Национального института стандартов и технологий США (NIST), совместно с оборонным гигантом RTX, разработали инновационный прототип радарного устройства, основанный на принципах квантовой физики. Этот радар отличается от традиционных систем тем, что вместо использования металлической антенны для регистрации отражённых радиоволн, в его конструкции применяются крошечные облака атомов цезия, помещённые в стеклянную колбу. Технология относится к категории квантовых сенсоров — приборов, использующих особенности квантовых систем для повышения точности и чувствительности измерений. Хотя данная разработка ещё далека до коммерческого внедрения, она уже демонстрирует впечатляющие возможности для подповерхностной съёмки и обнаружения объектов.
Основной принцип работы такого радара похож на классическую схему: он посылает радиоволны, которые затем отражаются от различных объектов. Но главная инновация заключается в приёмнике: вместо металлической антенны здесь используют атомы цезия, переведённые в состояние Ридберга. Для этого лазеры возбуждают атомы до размеров, превышающих их естественный радиус примерно в 10 000 раз, создавая условие для чувствительного улавливания изменений в электронных структурах атома, вызванных радиоволнами. Попавшие радиосигналы изменяют распределение электронов вокруг ядер атомов, что фиксируется через спектроскопические сдвиги — изменения цвета излучаемого света лазером. Такой метод позволяет одновременно работать в широком диапазоне радиочастот, не требуя перестройки аппаратуры, что существенно расширяет диапазон применения.
Практические тесты устройства проводились в специально экранированных помещениях, оснащённых радиопоглощающими материалами. В ходе экспериментов радар успешно обнаруживал металлические объекты — медные пластины, стальные трубы и металлические стержни — расположенные на расстоянии до пяти метров, с точностью определения их положения до 4,7 сантиметров. Это свидетельствует о высокой чувствительности и точности квантового радара, что особенно важно для применения в сложных условиях.
В будущем разработчики планируют уменьшить размер самой стеклянной колбы с атомами до сантиметра или даже меньше, что сделает прибор более компактным и удобным для использования в разных сферах. По словам физика Мэттью Саймонса, уменьшение габаритов позволит отказаться от громоздких металлических конструкций в приёмниках и значительно расширить сферу применения системы — от подповерхностной разведки и поиска коммуникаций до археологических раскопок и мониторинга инфраструктурных объектов.
Ключевое преимущество такой технологии — стабильность и точность благодаря использованию атомов цезия, которые являются эталонами времени и имеют строго фиксированные свойства, заданные фундаментальными константами природы. В отличие от традиционных радарных систем, чувствительных к условиям окружающей среды и калибровке, квантовые сенсоры требуют минимального вмешательства в настройку и обеспечивают стабильные результаты в долгосрочной перспективе. Кроме того, компоненты, используемые в квантовых радарах, находят применение и в области квантовых вычислений: атомы Ридберга используют как кубиты, а методы квантовой коррекции ошибок заимствуются для повышения надёжности измерений.
Несмотря на значительный прогресс, новая технология ещё находится в стадии исследований и улучшений. Для полноценного внедрения потребуется повысить чувствительность к слабым сигналам, что подразумевает работу над покрытием стенок стеклянной колбы и оптимизацией лазерных систем. Однако уже сегодня ясно, что квантовые сенсоры с атомами цезия открывают новые возможности для точных и компактных систем радиолокации, способных обнаруживать объекты в труднодостижимых и сложных условиях, значительно превосходя по своим характеристикам традиционные устройства. В перспективе такие разработки могут изменить методы подповерхностной разведки, геологоразведки и даже национальной безопасности, превращая квантовые технологии в незаменимый инструмент будущего.
