Antena de radio cuántica

Unos científicos han desarrollado un nuevo tipo de receptor de radio totalmente óptico basado en las propiedades fundamentales de los átomos de Rydberg. Este nuevo tipo de receptor no solo es extremadamente sensible, sino que también cuenta con calibración interna, y la antena se alimenta únicamente con luz láser.

El logro es obra de un equipo encabezado por Sebastian Borówka, de la Universidad de Varsovia en Polonia.

Cada vez es mayor la cantidad de información digital que circula por la Tierra. Gran parte de ella se transmite por radio, es decir, mediante ondas electromagnéticas. Durante mucho tiempo, se ha utilizado la modulación de amplitud para codificar la información. Más recientemente, también se recurre a modificar la fase de las ondas, es decir, el retardo de su vibración con respecto al ciclo de reloj acordado. Todos los transmisores y receptores modernos están equipados con metrónomos precisos que determinan el ciclo de reloj utilizado para transmitir y decodificar las ondas; en la jerga técnica, esto se conoce como detección superheterodina.

Para recibir transmisiones, se suelen utilizar antenas metálicas que redirigen la energía de las ondas entrantes al receptor. La absorción de energía permite la medición electrónica de la amplitud y la fase de las ondas.

Hoy en día, esta medición se realiza mediante la conversión (mezcla) de frecuencias. La señal eléctrica de la antena, que vibra miles de millones de veces por segundo (a una frecuencia de gigahercios), es conducida a los llamados mezcladores, que permiten la demodulación: la transferencia de la amplitud y la fase de vibraciones muy rápidas a señales de menor frecuencia, que vibran solo millones de veces por segundo (a una frecuencia de megahercios).

En esta etapa, es posible separar fácilmente los canales adyacentes que no se desea recibir. La electrónica moderna puede realizar fácilmente mediciones digitales de voltaje decenas de millones de veces por segundo. Estas mediciones se utilizan para reconstruir la forma de onda completa de las vibraciones y, con la ayuda de algoritmos de procesamiento digital de señales, su amplitud y fase.

Borówka y sus colegas reemplazaron la antena y el mezclador electrónico con un nuevo medio: una especie de aurora polar artificial.

Trabajando con átomos de rubidio en una celda de vidrio al vacío, se aprovecharon del hecho de que cada átomo de rubidio tiene un electrón relativamente libre, sometido a una compleja coreografía de danza alrededor del núcleo atómico, y complementado por otros 36 electrones.

Usaron tres láseres diferentes, con frecuencias de vibración estabilizadas con toda precisión a las posibles frecuencias de los electrones que orbitan en los átomos de rubidio, según lo determinan las leyes de la mecánica cuántica.

Aquí entran en escena los electrones en los llamados estados de Rydberg. En las órbitas (u orbitales) que ocupan, su trayectoria se curva fácilmente por las ondas de radio (más concretamente microondas) que siguen el ritmo impuesto por los rayos láser.

Sin embargo, cada electrón en un estado de Rydberg (elevado a una órbita alta) no puede permanecer allí indefinidamente y acaba por descender. Los electrones afectados por las ondas de radio caen siguiendo una trayectoria diferente y emiten radiación infrarroja distinta a la utilizada por los láseres, lo que facilita su detección. Lo más importante es que la fase de las microondas se refleja en la fase de la radiación infrarroja emitida: si las ondas de radio impactan antes dentro de un ciclo determinado, los electrones también caen ligeramente antes y emiten radiación antes.

El reto que se superó en el nuevo estudio fue construir un sistema para controlar con precisión los láseres y la “danza” de los electrones, de modo que el ritmo de su movimiento nunca se ralentizara ni acelerara de forma descontrolada.

Para ello, se utilizó una serie de "metrónomos". Para cada láser, se construyó un tubo de vacío especial, provisto de espejos de alta calidad, que refleja la luz miles de veces. Este tubo, llamado cavidad óptica, similar a un tubo de órgano o una cuerda de violín, selecciona únicamente vibraciones de una frecuencia específica. En los tubos utilizados, vibran simultáneamente dos campos: un láser estabilizado y un láser de referencia, cuya frecuencia se ajusta electrónicamente con precisión al período de la órbita más baja en la que los electrones pueden orbitar al núcleo del átomo de rubidio con las condiciones impuestas. Además, se utiliza un cristal especial para mezclar frecuencias y producir radiación infrarroja de referencia a partir de los láseres utilizados. El cristal no es sensible a las microondas, por lo que la radiación infrarroja que emite tiene una frecuencia ligeramente diferente a la emitida por los átomos de rubidio. La medición práctica requirió el uso de un láser de referencia adicional, contra el cual se midieron la radiación infrarroja emitida por los átomos y la radiación infrarroja de referencia del cristal mezclador. Esta medición relativa, un heterodino óptico, permitió obtener la amplitud y la fase de los campos en estudio. A su vez, estos pueden utilizarse para calcular directamente la amplitud y la fase de las microondas recibidas.

El sistema no depende internamente de componentes que conduzcan la electricidad. Todo lo que se necesita para convertir las ondas de radio en radiación infrarroja es vapor de rubidio, la cámara sellada y láseres. En el futuro, el sistema podría agregarse a una fibra óptica como un simple engrosamiento de esta, operando con todos los láseres necesarios, así como con la radiación infrarroja recibida, enviada en la dirección opuesta a través de la fibra óptica. Las mediciones y correcciones finales se podrán realizar incluso a varias decenas de metros de distancia de los campos de radio, lo que permitirá una recepción y una medición extremadamente discretas y no invasivas del campo de radio.

Parte del equipamiento experimental utilizado para el control de la antena de radio cuántica. (Foto: Michal Parniak / University of Warsaw)

Este nuevo sistema puede tener importantes repercusiones en las técnicas de calibración precisa de los campos de microondas. Gracias a las mediciones no invasivas, será posible registrar campos débiles sin perturbarlos.

Puede haber muchas otras aplicaciones prácticas para esta nueva tecnología, incluyendo algunas un tanto inquietantes; por ejemplo, un sensor de microondas de este tipo perfectamente oculto como dispositivo de espionaje para escucha telefónica. A diferencia de los dispositivos electrónicos disponibles actualmente para esa labor, sería sumamente difícil detectarlo.

El estudio se titula “Optically-biased Rydberg microwave receiver enabled by hybrid nonlinear interferometry”. Y se ha publicado en la revista académica Nature Communications. (Fuente: NCYT de Amazings)