Физики из Национального института стандартов и технологий США (NIST), в сотрудничестве с оборонной компанией RTX, сформировали инновационный прототип радара нового поколения, базирующийся на уникальной квантовой технологии. В отличие от традиционных устройств, использующих металлические антенны для приёма отражённых радиоволн, этот радар применяет крошечное облако атомов цезия, запечатанных внутри прозрачной стеклянной колбы. Этот подход относится к области квантовых сенсоров — приборов, использующих свойства квантовых систем для проведения высокоточных измерений. Хотя разработка находится ещё в стадии прототипа и требует дальнейших доработок, уже сейчас ясно, что такие технологии потенциально могут значительно расширить границы современных радиолокационных систем, обеспечивая более высокую точность и меньшие размеры устройств.
Этот новый тип радара функционирует по стандартной схеме: он излучает радиоволны, которые, достигая объектов, отражаются обратно к приёмнику. Но внутри системы важное отличие — в использовании атомов цезия как чувствительного элемента. Атомы переведены в состояние Ридберга — особое энергетическое состояние, при котором их электронные уровни становятся очень чувствительными к электромагнитным колебаниям. Для этого лазеры «раздувают» атомы цезия, увеличивая их размер примерно в 10 000 раз по сравнению с обычным состоянием. Когда радиоволны взаимодействуют с этим облаком атомов, в электронных распределениях происходят изменения, которые фиксируются через спектроскопические сдвиги — изменение цвета излучаемого света атомами. Такой метод позволяет обрабатывать широкий диапазон частот радиосигналов без необходимости перестройки аппаратуры, что является большой проблемой в традиционных системах.
Проведённые тесты показали, что новый радар способен обнаруживать металлические объекты на расстоянии до 5 метров с точностью до 4,7 сантиметров. Эксперименты проводились в специально подготовленном помещении с радиопоглощающими элементами, исключающими внешние помехи. В ходе испытаний устройство успешно определяло расположение моделей различных металлических объектов — медных пластин и стальных труб.
Разработчики подчеркивают, что данная технология может стать ещё более компактной — основная стеклянная колба с атомами цезия может иметь размеры всего около сантиметра. Это значительно упрощает интеграцию с существующими системами и уменьшает объём необходимых компонентов. По словам физика Мэттью Саймонса из NIST, такие миниатюрные радары смогут найти применение в автомобильной промышленности для точного определения положений объектов, в геологоразведке, археологических исследованиях и в других областях, требующих точной и скрытной съёмки.
Главное достижение команды — успешная интеграция атомного приемника в компактную и устойчивую конструкцию, что ранее было большой сложностью. На сегодняшний день подобные квантовые сенсоры уже применяются для измерения радиочастотных сигналов в автомобильных чипах, а также для оценки влажности в почвах, что свидетельствует о широком потенциале их применения. Одним из преимуществ таких квантовых сенсоров является высокая стабильность: атомы цезия обладают практически неизменной структурой, обусловленной фундаментальными физическими константами. Это значительно снижает необходимость постоянной калибровки, которая характерна для классических приборов.
Квантовые компоненты легко связаны с современными разработками в области квантовых вычислений. Атомы цезия широко используются в атомных часах как надёжные эталоны времени, а методы, применяемые для квантовых сенсоров, соответствуют технологиям, используемым для реализации квантовых компьютеров. Так, в квантовых системах часто используют квантовую коррекцию ошибок и методы повышения точности измерений, что удлиняет сроки службы и улучшает качество данных.
Несмотря на свои преимущества, эта технология пока не способна полностью заменить существующие радарные системы — она скорее дополнит их в случаях, когда требуется высокая точность, миниатюрность и возможность работы в различных диапазонах без необходимости постоянных настроек. Для дальнейшего развития необходимо повысить чувствительность системы к слабым сигналам, что потребует улучшения покрытия стеклянной колобы и совершенствования методов обработки данных. В перспективе возможно создание универсальных квантовых радаров, способных работать в экстремальных условиях и обеспечивать сверхточное обнаружение объектов под землёй, под водой или даже в условиях радиоэлектронной борьбы. Такой прогресс может открыть новую эру в области радиолокации, безопасности, разведки и многочисленных научных исследований, открывая доступ к невидимым ранее возможностям измерений и наблюдений.
