Polacy opracują anteny kwantowe, które pomogą w badaniu atmosfery

Polscy naukowcy udoskonalają przełomową technologię, jaką są anteny rydbergowskie. Takie urządzenia bazujące na efektach kwantowych mogą odbierać fale elektromagnetyczne w niezwykle szerokim zakresie. Europejska Agencja Kosmiczna już zamówiła prototyp, który pomoże w badaniu atmosfery i monitorowaniu pasm transmisji.

Czym są anteny kwantowe?

.Jesteśmy zanurzeni w mieszaninie fal elektromagnetycznych o bardzo różnych właściwościach. By jednak móc wychwytywać sygnały z różnych części ich spektrum (a więc zamieniać promieniowanie na sygnał elektryczny), potrzebujemy odbiorników o różnej budowie i parametrach.

I tak np. fale o długościach subatomowych wykrywane są przez czujniki radioaktywności. Pikometrowe fale wymagają czujników rentgenowskich (np. klisza rentgenowska). Dla światła widzialnego, a więc fal o długościach 380-780 nanometrów – świetnym czujnikiem są ludzkie oczy. Fale submilimetrowe (częstotliwość rzędu ThZ) rejestrowane są przez czujniki podczerwieni. A mikrofale (GHz) o „kieszonkowych” długościach (3mm-30 cm)- odbierane są przez telefony komórkowe. Anteny w radiu z kolei rejestrują metrowej długości fale radiowe (MHz), a fale o długości setek metrów – odbierane mogą być np. przez ogromne maszty odbiorcze lub anteny satelitarne. Dużym wyzwaniem jest jednak budowa odbiornika, który będzie mógł „nadawać” na jednej fali z promieniowaniem o bardzo różnej częstotliwości.

Dr hab. Michał Parniak-Niedojadło, badacz Wydziału Fizyki UW oraz Centrum Optycznych Technologii Kwantowych UW szacuje, że na razie, gdyby ktoś chciał za pomocą tradycyjnych anten odbierać bardzo różne fale o długości od submilimetrów do setek metrów (od THz do MHz), potrzebowałby pewnie setki różnych sensorów. Tymczasem jego zespół buduje antenę, która będzie w stanie odebrać fale o w miarę dowolnej częstotliwości z tego szerokiego zakresu. Największe odbierane przez ten sam odbiornik fale będą więc miliony razy większe niż najmniejsze.

Taki kompaktowy uniwersalny odbiornik fal to ważna propozycja dla sektora kosmicznego, gdzie każdy dodatkowy gram urządzeń wyniesionych w przestrzeń kosmiczną urządzeń to duże koszty.

Dlatego taki prototyp odbiornika rydbergowskiego zamówiła u dr. Parniaka Europejska Agencja Kosmiczna (ESA). Projekt wart jest 600 tys. euro. Tego typu anteny przydadzą się ESA w badaniu atmosfery i naturalnego promieniowania, w tym promieniowania odbitego od planety. Agencja chce też mieć narzędzie do wykrywania, czy przedsiębiorstwa lub instytucje wykorzystują w komunikacji radiowej rzeczywiście te pasma częstotliwości, które im oficjalnie przydzielono. Anteny mogą również służyć jako niezwykle precyzyjne termometry – urządzenia mierzące temperaturę nawet w warunkach bliskich zeru absolutnemu.

Te niezwykłe możliwości – nieosiągalne dla tradycyjnych technologii anten – daje fizyka kwantowa – i to w wersji przyjaznej do natychmiastowego aplikowania.

Wykorzystanie atomów rydbergowskich

.Naukowcy planują wykorzystać tzw. atomy rydbergowskie. Chodzi o atomy rubidu, w których elektrony wzbudzane są laserowo do tak dużych energii, że elektron przeskakuje na wyższy orbital – odsuwa od jądra atomu swoją orbitę z płaszcza numerowanego jako 5s nawet na poziom 48 czy 120. W ten sposób cały atom osiąga średnicę nawet 10 mikronów. Staje się więc grubszy niż nić pająka i mniej więcej tak duży, jak komórka krwi.

Taki atom, jeśli znajdzie się w polu elektromagnetycznym o określonej częstotliwości, wchodzi z nim w rezonans. Zjawisko to można zarejestrować zaproponowanymi przez Polaków metodami fotonicznymi. Modulując sygnał z lasera i to, na której orbicie znajdzie się elektron, można “dostroić” wielki atom do odbierania sygnałów o zadanej częstotliwości – od ok. 1 mega- do 1 teraherca.

Projektowane przez Polaków odbiorniki rydbergowskie działają w temperaturze pokojowej i są całkiem kompaktowe; sam odbiornik jest maleńki – to kostka o boku kilku mm, ale do jego aktywacji i odczytu potrzeba precyzyjnych laserów, które na razie są metrowej wielkości.

„Nasze anteny są tak niewielkie, że mogą wykryć falę nie zaburzając jej. Nikt nie może zobaczyć, że jest podglądany” – mówi dr Parniak. Dodaje, że anteny te powinny być odporne na tradycyjne ataki – w samym odbiorniku nie ma żadnej elektroniki, więc nie da się go zdalnie spalić – np. wysyłając zbyt silny sygnał radiowy.

Zdaniem dr. Parniaka antenami rydbergowskimi mogą się również zainteresować firmy telekomunikacyjne, które używać mogą nowego typu odbiorników, by wykrywać i wzmacniać nawet bardzo słabe sygnały promieniowania.

Potencjalne zastosowania dotyczą też komputerów kwantowych. Odbiornik rydbergowski mógłby kiedyś posłużyć przy budowie odpowiednika karty sieciowej w komputerze kwantowym.

„Komputery kwantowe to jeszcze pieśń przyszłości. Ale czujniki kwantowe – lada chwila znajdą zastosowanie” – uważa dr Parniak.

Dodaje, że efekty kwantowe w przemyśle kosmicznym już od dawna stosowane są w urządzeniach wysyłanych w kosmos – chodzi nie tylko o lasery, ale i np. zegary atomowe, które potrzebne są do zwiększania dokładności GPS.

Polska gospodarka kosmiczna

.Prezes Polskiej Agencji Kosmicznej, prof. Grzegorz WROCHNA, na łamach „Wszystko co Najważniejsze” twierdzi, że: „Nowoczesna era polskiego kosmosu zaczęła się jednak w 2012 roku wejściem naszego kraju do Europejskiej Agencji Kosmicznej (European Space Agency – ESA). Celem tej organizacji jest rozwijanie technologii w krajach członkowskich poprzez realizację wspólnych programów. O tym, jakie programy będą realizowane, decydują ministrowie państw członkowskich. Co trzy lata spotykają się w Paryżu i głosują portfelami: ESA będzie realizować te programy, które zebrały odpowiednie finansowanie. Reguła zwrotu geograficznego zapewnia, że większość zadeklarowanej kwoty wraca do kraju w postaci zamówień na elementy niezbędne do realizacji danego programu. Mamy więc gwarancję, że wpłacone pieniądze nie tylko odzyskamy, ale dzięki nim zdobędziemy dostęp do najnowocześniejszych europejskich technologii i rozwiniemy swoje własne”.

„Polska uczestniczy obecnie w 11 z 24 misji ESA, których celem jest eksploracja Księżyca, Słońca i planet Układu Słonecznego wraz z ich księżycami, a także badanie odległego Wszechświata. W bazie danych ESA zarejestrowanych jest ponad 400 firm, z czego ponad 150 otrzymało już kontrakty. Te duże liczby cieszą, ale zarazem stanowią wyzwanie, bo nasz sektor kosmiczny składa się głównie z małych i średnich przedsiębiorstw oraz instytucji naukowych. Niełatwo jest im stawić czoła wielkim czempionom obecnym na rynku kosmicznym już od kilku dekad. Integracja tego potencjału, budowanie „masy krytycznej” zdolnej do realizacji dużych, ambitnych projektów to jedno z głównych zadań Polskiej Agencji Kosmicznej”.

„POLSA, powołana w 2014 roku, jest stosunkowo młodą agencją, jeśli porównać ją z np. z NASA utworzoną w roku 1958. Nie jest jednak naszym celem „doganianie” znacznie bardziej doświadczonych agencji. Zamiast gonić i zawsze pozostawać w tyle, lepiej przeskoczyć do przyszłości, pomijając niektóre etapy, jak to się udało Polsce w bankowości czy technologiach informatycznych. Ten nowy etap, nazywany czasem „New Space” albo „Space 4.0”, charakteryzuje się wejściem na rynek firm prywatnych, szybszą budową tańszych satelitów, gwałtownym rozwojem rynku rozmaitych zastosowań. W tej perspektywie rozdrobnienie polskiego sektora może stać się zaletą, bo daje dużą elastyczność, umożliwia szybkie reagowanie na pojawienie się nowych technologii czy potrzeb rynkowych”.

„Dla młodych czy niezbyt dużych firm trudną do pokonania barierą jest przepaść między opracowaniem nowej technologii a wdrożeniem jej do konkretnych produktów czy usług rynkowych. I tu z pomocą przychodzi ESA, tworząc most nad tą „doliną śmierci”. Jest to możliwe, gdyż ESA wykorzystuje pieniądze publiczne, kierowane przez państwa członkowskie do interesujących je obszarów, ale wydaje je na zasadzie komercyjnych zamówień, gdzie firma musi wygrać przetarg i dostarczyć działający produkt. Co więcej, nie jest pozostawiona sama sobie, tylko może liczyć na wsparcie ekspertów ESA i dojrzalszych partnerów. Nie dziwi więc, że na 17 mld euro, zebranych przez ESA na lata 2022–25, 9 mld pochodzi z Francji, która postrzega współpracę z ESA jako najlepszy model rozwijania swojej gospodarki wysokich technologii” – pisze prof. Grzegorz WROCHNA w tekście „Polska gospodarka kosmiczna” – pełen artykuł [LINK]

PAP/Ludwika Tomala/WszystkocoNajważniejsze/g