Nikunjkumar Prajapati et al. / arXiv, 2022
Американские физики использовали газ атомов в качестве приемной антенны для аналогового видеосигнала, передаваемого с помощью радиоволн. Для этого они возбуждали атомы в высоколежащие ридберговские состояния, а затем облучали их несколькими лазерными лучами. За счет правильно подобранных параметров установки атомы становились чувствительны к поступающим к ним радиоволнам, что отражалось на амплитуде одного из лучей, проходящего через газ. С помощью собранного приемника ученые несколько часов стримили на монитор игру, запущенную на игровой консоли. Исследование пока не опубликовано в научном журнале, но доступен его препринт на arXiv.org.
Изобретение радио, то есть передачи сигналов на расстояния с помощью радиоволн, сыграло огромную роль в научно-техническом прогрессе. В его основе лежит способность ускоряющихся зарядов испускать электромагнитные волны, а также, наоборот, способность последних разгонять заряды в приемной антенне. Ключевую роль при этом играет резонанс между волнами и колебаниями электрического тока в антенне.
Как оказалось, это не единственный способ приема радиосигнала. Три года назад американские физики построили первое радио, приемную антенну в котором заменила система, состоящая из газа ридберговских атомов и лазерных лучей. Орбита, на которой находится внешний электрон в ридберговском атоме, имеет очень большой радиус, из-за чего она чувствительна ко внешним электрическим полям. Работоспособность построенного таким образом атомного радиоприемника они продемонстрировали с помощью стереофонической музыкальной композиции.
Теперь та же самая группа физиков из Национального института стандартов и технологий под руководством Кристофера Холлоуэя (Christopher Holloway), сообщила, что им удалось передать в атомы не только звук, но и видеоизображение в прямом эфире. Как и в прошлый раз, они воспользовались тем, что резонанс между соседними высоколежащими ридберговскими состояниями соответствует радиочастотам. Когда радиосигнал поглощается атомами, это меняет их энергетический баланс, что можно считать с помощью лазера и конвертировать в видеосигнал.
Авторы направляли лазерный свет с длинами волн 780 и 480 нанометров на прозрачную емкость с газом атомов 85Rb, находящихся при комнатной температуре. Лучи были настроены на оптические переходы 5S1/2→5P3/2 и 5P3/2→50D5/2, соответственно. В результате возникал эффект электромагнитно-индуцированной прозрачности, из-за которой первый луч (зондирующий) почти беспрепятственно проходил сквозь газ. Добавление к этой схеме радиоволнового поля с несущей частотой 17,0434 гигагерца, что соответствует разности уровней 50D5/2 и 51P3/2, нарушало обеднение уровня 5P3/2. При этом модуляция радиосигнала напрямую транслировалась в модуляцию зондирующего луча, которую регистрировал приемник.
Схема энергетических уровней атома рубидия, использованных в работе приемника
Nikunjkumar Prajapati et al. / arXiv, 2022
Сначала физики экспериментировали с отстройками и мощностями обоих лазеров, а также исследовали то, как эти параметры вместе с шириной перетяжки лучей влияют на характер отклика оптического сигнала в ответ на воздействие прямоугольных радиоимпульсов. Оказалось, что времена нарастания и спада в этом случае чувствительны в первую очередь к ширинам перетяжки. Опытным путем ученые выбрали оптимальное значение ширины для обоих лучей, равное 85 микрометрам.
Для передачи видео с камеры исследователи использовали стандарт NTSC 480i. Аналоговый сигнал содержал в себе информацию о кадрах, рядах и отдельных пикселях, а цвет содержался в фазе вспомогательной поднесущей частоты (3,58 мегагерца). Сигнал с оптического детектора попадал на аналого-цифровой 480i-to-VGA преобразователь, результат работы которого выводился на монитор. Физики передавали изображение с тестовой цветной таблицы и смотрели, как атомный приемник восстанавливает его в зависимости от ширины перетяжки лазерного луча. Эксперименты подтвердили, что при 85 микрометрах прием видеосигнала подвержен наименьшим помехам и потерям цветности.
Сравнение работы атомного приемника для различных ширин перетяжки лазерных лучей. Верхний ряд – это исходных сигнал с камеры, средний – сигнал, снятый с лазера, нижний – сравнение соответствующих изображений на мониторе.
Nikunjkumar Prajapati et al. / arXiv, 2022
Так происходит из-за того, что иные ширины увеличивают времена нарастания и спада, что приводит к размазыванию формы импульса и потере информации, которую переносят высокие частоты. С учетом того, что кадровая частота видео была равна 60 герцам, каждый кадр содержал 240 строк по 720 пикселей в каждом, а для кодировки цвета было необходимо 24 бита, авторы оценили номинальный битрейт приемника в 249 мегабит в секунду. В конце эксперимента физики подключили к атомному каналу игровую консоль (к сожалению, они не указали, какую) и играли в нее несколько часов без потери качества сигнала.
Вполне возможно, что ридберговские атомы в будущем станут компонентов не только телевизора, но и компьютера. Подробнее об этом читайте в материале «Квантовое преследование».
Марат Хамадеев