Ученые ТГУ предложили новые схемы квантового детектора

Физики Томского государственного университета (ТГУ) предложили новый способ обнаружения закрученных радиоволн — электромагнитных волн с винтовой фазовой структурой, способных сыграть важную роль в кодировании информации. Ученые ТГУ показали, что такие волны можно регистрировать с помощью ридберговских атомов — квантовых систем, чрезвычайно чувствительных к слабым радиочастотным полям. На основе этого знания физики предложили две схемы квантовых детекторов.

Обычная радиоволна — это колебание электрического и магнитного полей, которое можно охарактеризовать частотой, амплитудой и поляризацией. Однако у волны может быть еще одна характеристика (степень свободы) — орбитальный угловой момент. В этом случае фаза волны закручивается по спирали вокруг направления распространения, а фронт волны напоминает винт или штопор. С точки зрения приложений это означает, что разные значения орбитального углового момента формируют независимые пространственные моды. Теоретически это позволяет передавать несколько сигналов на одной и той же частоте. На практике же возникает вопрос: как различить эти моды без громоздких антенных решеток и сложной пространственной обработки сигнала.

рассказал один из авторов статьи, инженер-исследователь лаборатории теоретический и математической физики, младший научный сотрудник лаборатории анализа данных физики высоких энергий физического факультета ТГУ Петр Королёв.

Ридберговскими называют атомы, в которых один из электронов находится очень далеко от ядра, и с очень большим главным квантовым числом. Такие атомы имеют гигантские размеры по атомным меркам и чрезвычайно чувствительны к внешним электромагнитным полям, в том числе к радиоволнам. В последние годы ридберговские атомы активно используют в качестве квантовых приемников радиосигналов. В типичной схеме атомы помещаются в стеклянную ячейку и освещаются лазерами. Радиоволна слегка изменяет энергетические уровни атома, и это отражается на том, как атомы поглощают или пропускают лазерный свет. Измеряя изменение оптического сигнала, можно восстановить параметры радиосигнала.

«Ридберговские атомы чувствительны не только к мощности радиоволны, но и к ее пространственной структуре. Если радиоволна несет орбитальный угловой момент, то она возбуждает в атомах особые квантовые состояния, зависящие от «закрученности» волны», — отметил участвовавший в исследовании инженер-исследователь лаборатории теоретический и математической физики, младший научный сотрудник лаборатории анализа данных физики высоких энергий ФФ ТГУ Владислав Рякин.

По словам ученых, главную роль здесь играет квантовая когерентность — согласованная связь между атомными уровнями, возникающая под действием лазеров и радиочастотного поля. Проще говоря, атом начинает «помнить» фазу внешнего поля, и эта информация проявляется в оптическом отклике среды.

В статье рассмотрены две возможные схемы детектора. Первая использует редкие, так называемые недипольные переходы между ридберговскими состояниями. Они напрямую чувствительны к орбитальному угловому моменту радиоволны, но требуют довольно длительного времени отклика. Вторая схема основана на массиве ридберговских «антенн», каждая из которых регистрирует обычные радиоволны, но с высокой фазовой точностью. Сравнивая сигналы от разных точек пространства, можно восстановить топологический заряд закрученной волны. Такой подход оказывается быстрее и гибче, хотя он и более громоздкий с инженерной точки зрения.

пояснил еще один автор статьи, профессор кафедры квантовой теории поля ФФ ТГУ, доктор физико-математических наук Петр Казинский.

Работа физиков ТГУ показала, что атомные квантовые системы могут выполнять функции, которые традиционно решались исключительно средствами классической радиотехники. В перспективе это может привести к созданию компактных сенсоров для анализа сложных радиосигналов, новых систем связи и методов радиозондирования.

Источник: Минобрнауки России