تیمی از فیزیکدانان دانشگاه ورشو موفق به ساخت نخستین گیرنده رادیویی کوانتومی تمامنوری جهان بدون نیاز به برق و آنتن شدند.
به گزارش تکناک، این گیرنده که توسط پژوهشگران دانشکده فیزیک و مرکز فناوریهای نوری کوانتومی توسعه یافته است تنها از اتمهای Rydberg برای آشکارسازی و رمزگشایی سیگنالهای رادیویی بهره میگیرد و به طور کامل از مدارهای الکتریکی بینیاز است. نتیجه، انقلابی در علم حسگرهای کوانتومی است که میتواند دقت و حساسیت اندازهگیری را به سطح تازهای برساند.
به گفته پژوهشگران، نخستین گیرنده رادیویی کوانتومی قادر است خود را به صورت خودکار کالیبره کند، سیگنالهای ضعیف را با دقت بسیار بالا شناسایی نماید و بدون ایجاد هیچگونه تداخل، تنها از طریق پرتوهای نور کار کند. رهبری این پروژه را دکتر «میخاو پارنیاک» (Michał Parniak) برعهده دارد و این فناوری نوین در قالب قراردادی با آژانس فضایی اروپا در مسیر تجاریسازی قرار گرفته است.
امواج رادیویی در ارتباطات امروزی، حامل اصلی اطلاعات دیجیتال جهان هستند. گیرندههای سنتی برای دریافت و پردازش این امواج به آنتنهای فلزی و مدارهای الکترونیکی متکی هستند. اما تیم دانشگاه ورشو توانسته است تمام این اجزا را با محیطی اتمی جایگزین کند، که از اتمهای روبیدیوم معلق در یک محفظه شیشهای و سه پرتو لیزر فوقپایدار تشکیل شده است.
دکتر پارنیاک در توضیح این فرایند گفت: «در آزمایشهای ما، آنتن و مدارهای الکترونیکی با محیطی جدید جایگزین شد، که میتوان آن را نوعی شفق قطبی مصنوعی توصیف کرد.»
در این سیستم، هر پرتو لیزر با دقتی بسیار بالا متناسب با سطوح انرژی کوانتومی اتمهای روبیدیوم تنظیم میشود. الکترونهای روبیدیوم با دریافت انرژی وارد حالتهای پرانرژی موسوم به Rydberg میشوند. هنگامی که امواج رادیویی از درون این محفظه عبور میکنند، حرکات اتمی اندکی تغییر میکند و با بازگشت الکترونها به مدارهای پایینتر، نور مادونقرمز بسیار ضعیفی تابیده میشود که همان سیگنال رمزگذاریشده است.
در بخش (a)، ساختار ترازهای انرژی اتم روبیدیوم (Rb) نشان داده شده است، که از مسیرهای برانگیختگی دوفوتونی و سهفوتونی برای رسیدن به حالتهای Rydberg استفاده میکند. در این فرایند، پرتوهای لیزر با طولموجهای مختلف (از جمله 480 nm، 776 nm، 780 nm و 1258 nm) با اتمها برهمکنش میکنند و تغییرات ناشی از امواج مایکروویو (با طول موج 21.5 mm و فرکانس 13.9 GHz) را آشکار میکنند.
در بخش (b)، چیدمان تجربی سیستم نمایش داده شده است. پرتوهای لیزر وارد محفظه حاوی بخار روبیدیوم میشوند (Rb cell) و با عبور امواج مایکروویو، تغییرات حرکتی الکترونها باعث تولید نور مادونقرمز ضعیفی میشود، که توسط آشکارسازها (PD) ثبت میگردد.
سیگنال نهایی پس از عبور از ماژولهای DFG و مبدلهای نوری (MgO:PPLN) به شکل دیجیتالی (ADC + DSP) پردازش میشود تا اطلاعات دامنه و فاز امواج رادیویی بهدست آید.
یکی از بزرگترین چالشهای فنی نخستین گیرنده رادیویی کوانتومی، همگام نگه داشتن لیزرها و اتمها بود. پژوهشگران برای حل این مشکل از «کاواکهای نوری» (Optical Cavities) بهره گرفتند؛ لولههای خلأیی که دیواره داخلی آنها با آینه پوشانده شده است و وظیفه تثبیت بسامد نور را دارند، درست مانند ساز بادی که یک نت موسیقی را حفظ میکند. این روش باعث میشود که حرکات الکترونها پایدار بماند و امکان اندازهگیری دقیق دامنه و فاز سیگنال فراهم شود.
در بخشی از گزارش آمده است که برخلاف گیرندههای مرسوم، نخستین گیرنده رادیویی کوانتومی هیچ بخش فلزی ندارد و هیچ تداخلی در میدان رادیویی ایجاد نمیکند. کل سامانه تنها از بخار روبیدیوم، پرتوهای لیزر و یک محفظه دربسته تشکیل شده است. به همین دلیل، این گیرنده میتواند بهصورت پنهان و بدون اثرگذاری روی محیط، امواج را شناسایی کند.
پژوهشگران پیشبینی میکنند که در آینده بتوان این فناوری را چنان کوچک کرد که تنها به اندازه یک برجستگی کوچک روی فیبر نوری باشد. در این حالت، تمام پرتوهای لیزر از درون فیبر عبور میکنند و نور مادونقرمز بازتابی، اطلاعات را در مسیر برگشت منتقل میکند. چنین طراحی امکان اندازهگیری امواج را در فاصله چند متری از منبع سیگنال فراهم میسازد؛ روشی که علاوه بر دقیق بودن، پنهانکارانه و بدون تداخل است.
این سطح از دقت و حساسیت میتواند کاربردهای گستردهای در صنایع مختلف داشته باشد، که از جمله آنها میتوان به در کالیبراسیون دقیق میدانهای مایکروویو، توسعه حسگرهای مخفی، سامانههای ناوبری کوانتومی و گیرندههای فضایی فوقحساس اشاره کرد.
گزارشها نشان میدهد که گروه دکتر پارنیاک طی سالهای اخیر در زمینه آشکارسازی مایکروویو با اتمهای Rydberg پیشرو بوده است. فناوری آنها بهدلیل توانایی خودکالیبراسیون، حساسیت فوقالعاده بالا و امکان کوچکسازی، توجه نهادهای بینالمللی از جمله مؤسسات متروژی، سازمانهای دفاعی و آژانسهای فضایی را به خود جلب کرده است.
این تیم از ابتدای سال ۲۰۲۵، با آژانس فضایی اروپا همکاری رسمی برای تجاریسازی این فناوری آغاز کرده است. هدف نهایی، استفاده از گیرندههای کوانتومی در ماهوارهها برای اندازهگیری دقیق میدانهای الکترومغناطیسی فضا است؛ رویکردی که میتواند استانداردهای علمی و صنعتی را متحول کند.
پژوهش یادشده بخشی از پروژه ملی SONATA17 و برنامه فناوریهای نوری کوانتومی لهستان است، که با حمایت مالی اتحادیه اروپا اجرا میشود. به باور کارشناسان، این دستاورد میتواند نقطه عطفی در تحول ارتباطات بیسیم باشد؛ عصری تازه از ارتباطات رادیویی، که زمانی بر پایه فلز و برق استوار بود، بهزودی تنها با نور تعریف خواهد شد.
