Zespół fizyków z Loughborough University zbudował układ wielkości ziarna ryżu, który generuje precyzyjnie uporządkowane widmo światła i zamienia je w kilka sygnałów o wysokiej częstotliwości jednocześnie. Takie sygnały, tak zwane fale milimetrowe, mogą w przyszłości zwiększyć przepustowość sieci 6G, a dodatkowo poprawić dokładność zegarów wykorzystywanych w technologiach kwantowych. Wyniki badania, prowadzonego z partnerami z Wielkiej Brytanii, Chin, Kanady i Australii, opisano 20 sierpnia 2026 roku w czasopiśmie Nature Communications.
Tęcza, której nie widać gołym okiem
Sercem układu jest tak zwany microcomb, czyli mikrogrzebień częstotliwości: zestaw ściśle rozmieszczonych częstotliwości światła, przypominający kolory tęczy, choć niewidoczny dla ludzkiego oka. W przeciwieństwie do zwykłej tęczy, w której barwy zlewają się ze sobą, częstotliwości microcombu są rozdzielone i regularnie rozstawione, podobnie jak zęby grzebienia.
Taki grzebień częstotliwości powstaje zwykle, gdy światło lasera trafia do mikrorezonatora, czyli maleńkiej struktury na chipie, która pułapkuje światło i pozwala mu krążyć w kółko. Zespół z Loughborough poszedł krok dalej: połączył mikrorezonator z dużo większą pętlą światłowodu. Światło lasera wielokrotnie przechodzi przez oba elementy, co pomaga ustabilizować pożądany stan optyczny i utrzymać go nawet wtedy, gdy układ zostanie zakłócony.
„Stworzyliśmy niezwykle precyzyjną i stabilną «tęczę na chipie» – pętla wciąż zawraca światło z powrotem przez chip, dzięki czemu te stany mogą się budować samoistnie i pozostawać stabilne. Jest to naprawdę odporny system. Ludzie skakali obok niego, a microcomb i tak zachowywał stabilność” – powiedział dr Luke Peters z Emergent Photonics Research Centre na Loughborough University.
Nie jedna częstotliwość, lecz kilka naraz
Wcześniejsze prace pokazały, że microcomb potrafi wygenerować jedną precyzyjną falę milimetrową. Wygenerowanie kilku częstotliwości naraz oznaczałoby jednak kilka niezależnych kanałów do przesyłania danych równocześnie – a to wymaga grzebienia o wyjątkowej stabilności i czystości widma. Według opisu badania opublikowanego w Nature Communications, specjalna antena fotoprzewodząca zamienia optyczne częstotliwości microcombu w grzebień fal milimetrowych o odstępie 50 GHz między liniami, z zakresu tuż poniżej pasma terahercowego (sub-THz). Konwersja zachodzi bez dodatkowego wzmacniania optycznego, a sygnał zachowuje niski szum fazowy już na etapie samego lasera.
Naukowcy pokazali też, że poszczególne linie w grzebieniu można niezależnie wzmacniać lub osłabiać, a mimo to precyzja i stabilność sygnału optycznego przechodzą bez strat na przetworzone już fale milimetrowe.
„Możliwość wzmacniania lub osłabiania poszczególnych częstotliwości daje nam znacznie większą kontrolę nad generowanymi sygnałami, bo różne zastosowania będą wymagały różnych kombinacji częstotliwości” – powiedział dr Peters. „Pokazaliśmy też, że precyzja microcombu przenosi się na fale milimetrowe. To daje cały zestaw wysoce kontrolowanych sygnałów, dokładnie takich, jakich potrzeba tam, gdzie liczy się dokładność i stabilność.”
Zastosowania: od 6G po zegary kwantowe
Fale milimetrowe interesują branżę telekomunikacyjną, bo oferują znacznie więcej pasma niż obecnie wykorzystywane częstotliwości, czyli więcej przestrzeni do przesyłania danych. Według Loughborough University technologia mogłaby więc wesprzeć szybsze i pojemniejsze sieci 6G, ale badacze wskazują też zastosowania poza telekomunikacją: radary, spektroskopię oraz instrumenty astronomiczne wymagające bardzo precyzyjnych pomiarów.
Ta sama precyzja ma znaczenie dla pomiaru czasu, kluczowego dla rozwijających się technologii kwantowych. Zespół prowadzi już wspólne prace z National Physical Laboratory, brytyjskim instytutem metrologicznym, porównując swój układ z precyzyjnymi zegarami atomowymi i sprawdzając możliwe zastosowania w nawigacji i pozycjonowaniu. Badania wpisują się też w prace brytyjskiego konsorcjum UK Hub for Quantum Enabled Position, Navigation and Timing (QEPNT).
„Chcemy sprawdzić, jak daleko możemy posunąć precyzję i stabilność tych microcombów, zwłaszcza w technologiach zależnych od wyjątkowo dokładnego pomiaru czasu” – powiedział dr Antonio Cutrona z Loughborough University, który kierował pomiarami stabilności microcombu w tym badaniu.
Na razie stół laboratoryjny, docelowo pudełko po butach
Sam chip ma wielkość ziarna ryżu, ale cała aparatura – wraz z laserem, pętlą światłowodu i elektroniką pomiarową – zajmuje obecnie cały stół laboratoryjny. Zespół chce zmniejszyć układ i ograniczyć jego zużycie energii; badacze mówią o docelowym rozmiarze porównywalnym z pudełkiem po butach. Jednym z rozważanych kierunków jest umieszczenie technologii na satelitach, gdzie ograniczenie rozmiaru, masy i poboru mocy ma szczególne znaczenie.
Projekt sfinansowały między innymi Europejska Rada ds. Badań Naukowych (ERC) w ramach unijnego programu Horyzont 2020 oraz brytyjska agencja EPSRC. W badaniu, poza zespołem z Loughborough, wzięli udział naukowcy z University of Sussex, City University of Hong Kong, kanadyjskiego INRS oraz Swinburne University of Technology w Australii.
