Физики из Национального института стандартов и технологий США (NIST) в сотрудничестве с оборонным предприятием RTX разработали инновационный прототип радара, использующего принцип квантовых сенсоров. В отличие от традиционных устройств, в этом радаре отражённые радиоволны фиксируют не металлическая антенна, а крошечное облако атомов цезия, заключённое в прозрачную стеклянную колбу. Такая концепция открывает новые горизонты в области измерительных технологий и может существенно изменить подходы к подповерхностной съёмке — начиная от поиска коммуникационных каналов, гидрогеологических исследований и бурения скважин, и заканчивая археологическими раскопками.
Принцип работы этого инновационного радара схож с обычным — он посылает радиоволны, которые отражаются от объектов и возвращаются к приёмнику. Однако, ключевое отличие состоит в том, что роль приёмного элемента выполняют атомы цезия, переведённые в так называемое состояние Ридберга. Для этого лазеры «раздувают» атомы, увеличивая их размеры в 10 000 раз по сравнению с их естественным радиусом. Когда радиоволны взаимодействуют с такими атомами, они вызывают изменения в распределении электронов вокруг ядер, что в дальнейшем фиксируется посредством лазерного зондирования через сдвиг цвета излучаемого света. Этот метод позволяет широко охватывать диапазон частот без необходимости перенастройки аппаратуры, что значительно повышает универсальность и скорость работы радара.
Проведённые испытания демонстрируют высокий потенциал системы: радар был установлен в специальной экранированной камере со стенами, покрытыми радиопоглощающими материалами. В ходе тестов он успешно обнаружил и определил положение металлических объектов (медных пластин, стальных труб и металлического стержня) на расстоянии до 5 метров с точностью до 4,7 сантиметра. Эти результаты подтверждают способность новой системы точно локализовать объекты в пространстве и делают её перспективной для практического применения.
В будущем исследователи планируют сделать устройство более компактным: сама стеклянная колба с атомами цезия может иметь размер всего около сантиметра. Это значительно упростит интеграцию квантового радара в мобильные и стационарные системы, а также позволит отказаться от громоздких металлических конструкций, что особенно важно при использовании в полевых условиях или в ограниченных пространствах.
Интеграция атомного приёмника с остальными компонентами системы стала одним из ключевых достижений команды. Это повысило устойчивость и компактность устройства по сравнению с предыдущими экспериментами, что открывает новые возможности для его использования. На сегодняшний день такие квантовые сенсоры уже проходят тестирование в различных областях — например, для измерения радиочастот в автомобильных чипах, определения влажности почв или технической диагностики инфраструктуры.
Основные преимущества квантовых сенсоров заключаются в высокой стабильности и точности. Атомы цезия являются объектами с неизменной структурой, которая задаётся фундаментальными физическими константами и не подвержена искривлениям или деградации со временем. Это значительно снижает необходимость регулярной калибровки и обслуживания системы, в отличие от классических радаров, где точность зависит от состояния антенн и электронных компонентов. Более того, компоненты, используемые в квантовых радарах, находят пересечения с технологиями квантовых вычислений — например, атомы в состоянии Ридберга применяются как кубиты, а применяемые методы квантовой коррекции ошибок могут повысить надёжность и точность сенсоров.
Несмотря на существенный прогресс, на текущем этапе разработки новой системы остаётся множество задач. В первую очередь — повысить чувствительность для работы со слабыми сигналами, что особенно важно для обнаружения объектов на больших расстояниях или в сложных условиях окружающей среды. Ещё одна необходимость — улучшить покрытие стеклянной колбы и систем шумоподавления, чтобы снизить уровень помех и повысить точность в реальных сценариях эксплуатации. Разработчики уверены, что с последующими усовершенствованиями и масштабированием технологии квантовые радары смогут занять важное место в системе разведки, навигации, разведывательных операциях и других прикладных сферах, где высокоточная локализация объектов имеет критическое значение.