Atomowy odbiornik radiowy – rodzaj kwantowego sensora promieniowania radiowego, w którym rolę anteny oraz pierwszego stopnia odbiorczego pełni gaz atomów wzbudzonych do stanów rydbergowskich, odczytywany optycznie za pomocą wiązek laserowych i fotodetektora. Tego typu urządzenia umożliwiają bezpośredni pomiar amplitudy i fazy pól mikrofalowych oraz radiowych, a także odbiór analogowych i cyfrowych sygnałów komunikacyjnych, przy rozmiarach ograniczonych do objętości niewielkiej komórki z parą atomową. Stanowią one przykład sensora kwantowego rozwijanego m.in. w kontekście metrologii pól elektromagnetycznych, radiokomunikacji oraz zastosowań wojskowych i kosmicznych.

Zasada działania

Podstawą działania odbiorników atomowych są atomy rydbergowskie, czyli atomy o elektronach wzbudzonych na bardzo wysokie główne liczby kwantowe, co skutkuje dużymi momentami dipolowymi i niezwykle silną podatnością na zewnętrzne pola elektryczne. W typowym układzie pomiarowym stosuje się komórkę z parą atomów (najczęściej rubidu lub cezu) w temperaturze pokojowej, na którą padają dwie wiązki laserowe: sonda oraz wiązka sprzęgająca. Tworzą one tzw. drabinowy układ poziomów energetycznych, w którym wykorzystuje się zjawisko przezroczystości indukowanej elektromagnetycznie (electromagnetically induced transparency, EIT).

Zewnętrzne pole mikrofalowe lub radiowe sprzęga dwa wybrane poziomy rydbergowskie i modyfikuje warunki EIT, co prowadzi do zmiany absorpcji lub fazy światła sondy przechodzącego przez komórkę. Zmiany te są rejestrowane fotodetektorem i przekształcane w sygnał elektryczny zawierający zakodowaną informację o amplitudzie, częstotliwości i fazie pola radiowego. W takich układach komórka z atomami pełni równocześnie funkcje anteny, mieszacza częstotliwości i detektora, a przetwarzanie sygnału wstępnego odbywa się w całości w ośrodku atomowym, bez użycia tradycyjnych elementów mikrofalowych.

W wielu realizacjach stosuje się dodatkowe pole odniesienia (lokalny oscylator) wprowadzane do tej samej komórki, dzięki czemu atomy działają jak mieszacz częstotliwości – dochodzi do optycznego wytworzenia częstotliwości pośredniej, z której odczytywana jest informacja o fazie i modulacji sygnału radiowego. Rozwijane są także w pełni optyczne warianty odbiorników, w których nie wprowadza się żadnych sygnałów elektrycznych do okolic sensora, a odczyt odbywa się na podstawie nieliniowej interferometrii optycznej w gazie rydbergowskim.

Do głównych zalet odbiorników atomowych zalicza się bardzo szeroki zakres częstotliwości pracy, wynikający z bogatej struktury poziomów rydbergowskich, możliwość bezwzorcowej kalibracji pola elektrycznego, a także potencjalnie małe rozmiary sensora ograniczone do skali komórki z parą atomową. Ograniczeniami są natomiast m.in. szumy laserowe, fluktuacje temperatury komórki, skończona dynamika optycznego odczytu oraz wymagania dotyczące stabilności częstotliwości wiązek laserowych.

Rozwój badań

Pierwsze prace nad wykorzystaniem atomów rydbergowskich do metrologii mikrofal i pól radiowych koncentrowały się na absolutnym pomiarze natężenia pola elektrycznego z użyciem spektroskopii EIT oraz rozszczepienia Autlera–Townesa w parach atomowych. Koncepcja atomowego odbiornika radiowego rozwinęła się w drugiej połowie lat 2010., kiedy wykazano możliwość odbioru sygnałów analogowych i cyfrowych z wykorzystaniem komórki z parą atomową jako anteny i mieszacza.

W 2019 roku zespół z National Institute of Standards and Technology (NIST) zademonstrował odbiornik wykorzystujący atomy cezu do odbioru sygnałów z modulacją fazy (m.in. QPSK i QAM), stosowanych we współczesnych systemach łączności bezprzewodowej. W doświadczeniu użyto dwóch sygnałów radiowych: jednego pełniącego rolę fali odniesienia i drugiego niosącego informację, przy czym ich mieszanie zachodziło bezpośrednio w atomach, a odczyt danych odbywał się optycznie.

Równolegle rozwijano koncepcje wielokanałowych odbiorników atomowych, zdolnych do jednoczesnego odbioru sygnałów AM i FM w kilku pasmach częstotliwości, m.in. poprzez wykorzystanie różnych gatunków atomów lub wielu przejść rydbergowskich w jednej komórce. Kolejne prace eksperymentalne dotyczyły m.in. zwiększania przepustowości (szerokości pasma) odbiorników, odbioru słabych sygnałów AM, rozszerzania zakresu dynamicznego oraz pomiaru fazy pola radiowego w pełni optycznych układach pomiarowych.

Podsumowania stanu badań nad atomowymi sensorami i odbiornikami radiowymi przedstawiono w artykułach przeglądowych, które omawiają zarówno aspekty metrologiczne, jak i zastosowania w komunikacji oraz obrazowaniu pól elektromagnetycznych.

Odbiorniki na atomach rydbergowskich w Polsce

W Polsce badania nad odbiornikami radiowymi opartymi na atomach rydbergowskich prowadzone są m.in. na Uniwersytecie Warszawskim, w ramach Centrum Nowych Technologii oraz Centrum Optycznych Technologii Kwantowych (QOT). W 2025 roku zespół kierowany przez Michała Parniaka i współpracowników (Sebastian Borówka, Mateusz Mazelanik, Wojciech Wasilewski) zaprezentował całkowicie optyczny odbiornik mikrofalowy, określany jako „kwantowa antena radiowa”.

W opracowanym układzie antenę metalową oraz klasyczny mieszacz częstotliwości zastąpiono komórką z parą rubidu, w której wzbudzoną populację stanów rydbergowskich kontroluje się trzema precyzyjnie stabilizowanymi wiązkami laserowymi. Mikrofalowe pole radiowe powoduje zakrzywienie trajektorii elektronów w stanie rydbergowskim, co skutkuje emisją promieniowania podczerwonego o innej częstotliwości niż światło laserów; sygnał ten jest następnie detekowany optycznie. Dzięki temu sama antena może być zasilana wyłącznie światłem laserowym, a wrażliwa elektronika przetwarzająca sygnał może znajdować się w znacznej odległości od sensora.

Opracowana konstrukcja charakteryzuje się wysoką czułością, wbudowaną kalibracją wynikającą z fundamentalnych własności atomowych oraz możliwością jednoczesnego odbioru szerokiego zakresu częstotliwości. Według doniesień medialnych i informacji zespołu badawczego rozwój tej technologii ma prowadzić do powstania prototypów sensora kwantowego do zastosowań telekomunikacyjnych i obronnych w perspektywie drugiej połowy lat 20. XXI wieku.

Zastosowania i perspektywy

Atomowe odbiorniki radiowe są rozpatrywane jako potencjalna alternatywa lub uzupełnienie klasycznych anten i odbiorników w szeregu zastosowań. Dzięki możliwości bezwzorcowego pomiaru natężenia pola elektrycznego oraz śledzenia fazy sygnałów radiowych mogą one pełnić rolę precyzyjnych sond do charakteryzacji anten, pomiarów pól bliskich i dalekich oraz obrazowania rozkładów pól mikrofalowych.

W obszarze telekomunikacji atomowe odbiorniki umożliwiają odbiór różnych formatów modulacji (AM, FM, modulacje fazowe i kwadraturowe) w szerokim zakresie częstotliwości, co potencjalnie pozwala na tworzenie programowo definiowanych, wielopasmowych odbiorników wykorzystujących jedynie zmianę ustawień laserów i analizy optycznej zamiast przełączania zestawów klasycznych układów mikrofalowych. Rozważane są także zastosowania w systemach odpornych na zakłócenia i zagłuszanie oraz w metrologii sygnałów stosowanych w systemach nawigacyjnych i radarowych.

Warianty w pełni optyczne, takie jak kwantowa antena radiowa opracowana na Uniwersytecie Warszawskim, oferują dodatkowo możliwość fizycznego oddzielenia sensora od elektroniki – komórka z atomami może znajdować się w środowisku ekstremalnym (np. w podwyższonej temperaturze, pod wpływem promieniowania), podczas gdy układy detekcji optycznej i przetwarzania sygnału umieszcza się w chronionym miejscu. Tego typu rozwiązania są wskazywane jako obiecujące m.in. w zastosowaniach wojskowych, kosmicznych, w systemach monitorowania klimatu oraz w infrastrukturze Internetu rzeczy.

W obecnych realizacjach laboratoryjnych główne zapotrzebowanie na moc w atomowych odbiornikach radiowych związane jest z pracą układów laserowych i elektroniki stabilizującej, podczas gdy sama komórka z parą atomową nie wymaga lokalnego zasilania elektrycznego, a jedynie doprowadzenia wiązek laserowych. Rozwiązania te nie są projektowane z myślą o minimalizacji zużycia energii, lecz o uzyskaniu wysokiej czułości, szerokiego pasma pracy oraz bezwzorcowej kalibracji pola elektrycznego..

Dalszy rozwój atomowych odbiorników radiowych zależy od postępów w miniaturyzacji i stabilizacji źródeł laserowych, integracji komórek z parą atomową z układami fotonicznymi oraz poprawy stosunku sygnału do szumu poprzez zaawansowane techniki detekcji optycznej i obróbki sygnałów.

Zobacz też

atomy rydbergowskie sensor kwantowy radio optyka kwantowa

Przypisy

Kategoria:Urządzenia elektroniczne Kategoria:Radio Kategoria:Zjawiska kwantowe