Físicos criaram um tipo de radar que pode ajudar a melhorar a imagem do subsolo, utilizando uma nuvem de átomos numa célula de vidro para detetar ondas de rádio refletidas. O aparelho é um tipo de sensor com uma tecnologia emergente que utiliza as propriedades quânticas dos objetos como dispositivos de medição. Ainda é um protótipo, mas o seu uso pretendido é para imagem de objetos enterrados em situações como construção de utilidades subterrâneas, perfuração de poços para gás natural e escavação de sítios arqueológicos.
Tal como o radar convencional, o dispositivo emite ondas de rádio, que se refletem nos objetos próximos. Medindo o tempo que elas demoram a refletir e a retornar, é possível determinar a localização do objeto. No radar convencional, as ondas são detetadas utilizando uma grande antena, entre outros componentes de receção. Neste novo dispositivo, as ondas refletidas são registadas ao detetar as interações entre as ondas de retorno e a nuvem de átomos.
A versão atual do radar ainda é volumosa, pois os investigadores mantiveram-no ligado a componentes numa mesa óptica para facilitar os testes. Mas acreditam que o seu radar quântico pode ser significativamente mais pequeno do que os designs convencionais. “Em vez de ter essa estrutura metálica considerável para receber o sinal, agora podemos usar esta pequena célula de vidro com átomos que pode ter cerca de um centímetro de tamanho”, diz Matthew Simons, físico do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST), que foi membro da equipa de investigação. O NIST também trabalhou com o contratante de defesa RTX no desenvolvimento do radar.
A célula de vidro que serve como componente quântico do radar está cheia de átomos de césio mantidos à temperatura ambiente. Os investigadores usam lasers para fazer com que cada um aumente de tamanho até quase o tamanho de uma bactéria, cerca de 10.000 vezes maior do que o tamanho usual. Átomos nesta condição inchada são chamados de átomos de Rydberg.
Quando ondas de rádio incidentes atingem os átomos de Rydberg, elas perturbam a distribuição de eletrões à volta dos seus núcleos. Os investigadores podem detetar a perturbação ao iluminar os átomos com lasers, fazendo com que eles emitam luz. Quando os átomos interagem com uma onda de rádio, a cor da luz emitida por eles muda. Monitorizando a cor dessa luz, é possível usá-los como um receptor de rádio. Os átomos de Rydberg são sensíveis a uma ampla gama de frequências de rádio sem a necessidade de alterar a configuração física, diz Michał Parniak, físico da Universidade de Varsóvia, na Polónia, que não esteve envolvido no trabalho. Isso significa que um único dispositivo de radar compacto poderia potencialmente funcionar nas várias faixas de frequência exigidas para diferentes aplicações.
A equipa de Simons testou o radar colocando-o numa sala especialmente projetada, com picos de espuma no chão, teto e nas paredes, semelhantes a estalagmites e estalactites. Os picos absorvem, em vez de refletir, quase todas as ondas de rádio que os atingem. Isso simula o efeito de um grande espaço aberto, permitindo que o grupo testasse a capacidade de imagem do radar sem reflexos indesejados nas paredes.
Os investigadores colocaram um transmissor de ondas de rádio na sala, juntamente com o receptor de átomos de Rydberg, que estava ligado a uma mesa óptica fora da sala. Eles direcionaram ondas de rádio para uma placa de cobre do tamanho de uma folha de papel, alguns canos e uma barra de aço na sala, cada um colocado a até cinco metros de distância. O radar permitiu localizar os objetos com uma precisão de até 4,7 centímetros. A equipa publicou um artigo sobre a pesquisa no servidor de pré-impressão arXiv no final de junho.
O trabalho aproxima o radar quântico de um produto comercial. “Trata-se realmente de colocar os elementos juntos de uma maneira elegante”, diz Parniak. Embora outros investigadores já tenham demonstrado como os átomos de Rydberg podem funcionar como detetores de ondas de rádio, ele afirma que este grupo integrou o receptor ao resto do dispositivo de forma mais eficiente do que antes.
Outros investigadores exploraram o uso de átomos de Rydberg para outras aplicações de radar. Por exemplo, a equipa de Parniak recentemente desenvolveu um sensor de átomos de Rydberg para medir frequências de rádio e resolver problemas de chips usados em radares de carros. Os investigadores também estão a investigar se radares com receptores de átomos de Rydberg poderiam ser usados para medir a humidade do solo.
Este dispositivo é apenas um exemplo de um sensor quântico, um tipo de tecnologia que incorpora esse componente em ferramentas convencionais. Por exemplo, o governo dos EUA desenvolveu giroscópios que utilizam as propriedades de ondas dos átomos para detetar rotações, o que é útil para navegação. Investigadores também criaram sensores quânticos utilizando impurezas em diamantes para medir campos magnéticos em, por exemplo, aplicações biomédicas.
Uma vantagem dos sensores quânticos é a consistência inerente dos seus componentes principais. Cada átomo de césio no seu dispositivo é idêntico. Além disso, o receptor de rádio depende da estrutura fundamental desses átomos, que nunca muda. As propriedades dos átomos “podem ser ligadas diretamente a constantes fundamentais”, diz Simons. Por essa razão, os sensores quânticos devem exigir menos calibração do que os seus equivalentes não quânticos.
Governos em todo o mundo investiram bilhões de dólares no desenvolvimento de equipamentos que partilham componentes semelhantes. Por exemplo, investigadores construíram computadores quânticos usando átomos de Rydberg como qubits, o equivalente aos bits em um computador convencional. Assim, os avanços em sensores quânticos podem, potencialmente, traduzir-se em avanços em computação quântica, e vice-versa. Parniak recentemente adaptou uma técnica de correção de erros da computação quântica para melhorar um sensor baseado em átomos de Rydberg.
Os investigadores ainda precisam continuar o desenvolvimento dessa tecnologia antes que possa tornar-se comercialmente viável. No futuro, será necessário trabalhar na melhoria da sensibilidade do dispositivo a sinais mais fracos, o que pode envolver a melhoria dos revestimentos para a célula de vidro. “Não vemos isso a substituir todas as aplicações de radar”, diz Simons. Em vez disso, ele acredita que será útil para cenários específicos que exigem um dispositivo compacto.
Sophia Chen