Физики Томского государственного университета предложили новый способ обнаружения так называемых закрученных радиоволн – электромагнитных волн с винтовой фазовой структурой, способных сыграть важную роль в кодировании информации. Ученые ТГУ опубликовали статью в журнале Annals of Physics (Q1), в которой 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.
– Закрученные радиоволны привлекают внимание тем, что их орбитальный угловой момент может использоваться как дополнительная степень свободы для кодирования информации. Однако до сих пор практическое применение этой идеи сдерживалось отсутствием компактных и универсальных детекторов, – говорит один из авторов статьи, инженер-исследователь лаборатории теоретический и математической физики, м.н.с. лаборатории анализа данных физики высоких энергий физического факультета ТГУ Петр Королёв.
Обычная радиоволна – это колебание электрического и магнитного полей, которое можно охарактеризовать частотой, амплитудой и поляризацией. Однако у волны может быть ещё 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 решёток и сложной пространственной обработки сигнала?
Ридберговскими называют атомы, в которых один из электронов находится очень далеко от ядра – и с очень большим главным квантовым числом. Из-за этого 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 используются как квантовые приёмники 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 её пространственной структуре, – отмечает инженер-исследователь лаборатории теоретический и математической физики, м.н.с лаборатории анализа данных физики высоких энергий ФФ ТГУ Владислав Рякин. – Если радиоволна несёт орбитальный угловой момент, то она возбуждает в атомах особые квантовые состояния, зависящие от «закрученности» волны.
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.
– Мы не просто описали новый детектор – мы построили полную квантовую теорию взаимодействия закрученных радиоволн с атомами Ридберга вплоть до матричных элементов, – поясняет один из авторов статьи, профессор кафедры квантовой теории поля ФФ ТГУ, д-р физ.-мат. наук Петр Казинский.– Фактически, развитая теория позволяет превратить атомы в высокоструктурированные «квантовые антенны», способные различать фотоны не только по энергии и спину, но и по их орбитальному моменту. Наша работа открывает путь к созданию чувствительных радиосистем, где информация кодируется в орбитальном угловом моменте радиоволны, а приёмником служит атомный пар при комнатной температуре. Это слияние квантовой физики и классической радиотехники совершенно нового уровня.
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.
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.
При этом предложенные схемы не требуют экзотических условий. Они укладываются в рамки уже существующих экспериментальных платформ ридберговской спектроскопии. Следующим шагом может стать экспериментальная реализация таких детекторов и проверка их чувствительности в реальных условиях.
Изображение: Петр Королев. Иллюстрация предоставлена учеными ФФ ТГУ.
Источник: ТГУ
