Учёные Томского госуниверситета (ТГУ) разработали теоретическую основу для создания квантовых приёмников, способных различать радиоволны не только по частоте и поляризации, но и по их пространственной структуре — орбитальному угловому моменту. В основе — атомы Ридберга, обладающие гигантской чувствительностью. Работа опубликована в Annals of Physics.
Что такое атомы Ридберга
Это атомы, у которых один из электронов находится на огромном удалении от ядра. Из-за этого они:
- Имеют гигантские размеры.
- Обладают невероятной чувствительностью к внешним электрическим и магнитным полям.
- Могут использоваться как квантовые сенсоры.
Идея детектора
Атомы помещают в ячейку, подсвечивают лазерами. Под действием радиоволны их энергетические уровни меняются, что влияет на пропускание лазерного света. Измеряя эти изменения, можно восстановить параметры сигнала.
Новизна подхода ТГУ: ридберговские атомы реагируют не только на мощность волны, но и на её пространственное строение — если волна обладает орбитальным угловым моментом («закручена»), в атомах возникают особые квантовые состояния.
Как это работает (квантовая теория)
«Мы построили полную квантовую теорию взаимодействия закрученных радиоволн с атомами Ридберга вплоть до матричных элементов», — Петр Казинский, профессор ТГУ.
Ключевую роль играет квантовая когерентность — согласованная связь между уровнями атома, возникающая под действием лазеров и поля. Атом «запоминает» фазу внешнего излучения, и эта информация проявляется в его оптическом отклике.
Две возможные схемы детектора
- Прямые недипольные переходы — атомы реагируют непосредственно на момент волны, но отклик медленнее.
- Массив ридберговских «антенн» — множество атомов измеряют обычный сигнал с высокой точностью, а сравнивая данные от разных точек, восстанавливают структуру закрученной волны. Сложнее инженерно, но быстрее.
Значение
Работа доказывает, что атомные квантовые системы могут выполнять функции, которые раньше считались прерогативой классической радиотехники.
«Фактически, развитая теория позволяет превратить атомы в высокоструктурированные "квантовые антенны", способные различать фотоны не только по энергии и спину, но и по орбитальному моменту. Это слияние квантовой физики и классической радиотехники совершенно нового уровня», — подчёркивает Казинский.
Перспективы: создание чувствительных радиосистем, где информация кодируется в орбитальном угловом моменте волны, а приёмником служит атомный пар при комнатной температуре.