作者：北京海鹰科技情报研究所  葛悦涛  韩雨

2020年3月19日，科学日报（Science Daily）、物理学家组织网（phys.org）等网站报道，在国防部长办公厅（OSD）和DARPA等机构的支持下，美陆军研究实验室联合马里兰大学研发出一款量子通信接收机，能可靠检测100吉赫兹以下的全频谱通信信号。

2021年2月4日，科学日报、物理学家组织网等再次报道，该量子接收机首次探测了现实世界真实全频谱无线电信号，包括调幅（AM）、调频（FM）、Wi-Fi、蓝牙信号以及其他信号。

该量子接收机直接支撑美陆军现代化重点项目，一旦应用将对军事通信系统产生颠覆影响。

1：工作原理

      传统无线电通信接收机需要使用多个天线、放大器和其他组件接收不同频谱的射频信号，单个天线无法实现宽频谱信号接收。美国陆军研究实验室研发的量子通信接收机，核心是用里德伯碱原子（具有高激发态电子的原子）蒸气检测电磁波。

      工作原理是：光泵激光将碱原子激发为里德伯原子；高激发态里德伯碱原子的稀薄蒸气在入射电磁波影响下，产生斯塔克效应（原子在外电场作用下能级和光谱发生分裂的现象）；通过检测电子跃迁释放的光子，反算入射电磁波信号。

      里德伯碱原子蒸气具有以下独特的特性：一是粒子量子态相同，对外界刺激的响应与粒子基本常数的关系已知；二是在超宽频率范围内具有很大的极化率和灵敏度，实现宽频谱通信信号接收；三是对入射电磁波的响应精度极高，可响应10千赫兹到1太赫兹的电磁波激励，用于通信，带宽超过1兆赫兹。

图1   研究人员验证里德伯原子通信接收机工作原理（图片来源：美国陆军）

图2 里德伯原子在光学上被激发为能探测到进入无线电频率场的里德伯状态（图片来源：美国陆军）

2：发展重要里程碑

      2018年6月，在国防部长办公厅“量子科学与工程”项目支持下，美陆军研究实验室开发出里德伯量子传感器，验证了频率从10千赫兹到30兆赫兹的数据接收，后续对传感器进行了优化。

      2020年1月，在DARPA的支持下，陆军研究实验室定量分析了1千赫兹到1太赫兹宽频谱和宽振幅范围的振荡电场灵敏度，获得频率1千赫兹到20吉赫兹范围内的数据接收响应曲线，并与电光晶体接收机和偶极子耦合无源接收机进行了对比，结果显示，灵敏度与这两种典型电磁波接收机相当。

      2021年2月，国外科技媒体报道，美陆军研究实验室利用该量子传感器和波导耦合频谱分析仪对0~20GHz的现实世界真实无线电信号进行采样，检测了调幅（AM）、调频（FM）、Wi-Fi、蓝牙以及其他通信信号。

图3 里德伯原子接收机和频谱分析仪检测宽频谱通信信号，包括AM、FM、Wi-Fi、蓝牙等（图片来源：美国陆军）

图4 将铷原子激发成高能的里德伯态。原子与电路的电场发生强烈的相互作用，可以检测和解调任何接收到的信号（图片来源：美国陆军）

图5 使用里德伯频谱分析仪在陆军作战能力发展司令部（DEVCOM）陆军研究实验室进行试验（图片来源：美国陆军）

图6 （a）检测装置示意图；（b）微波电路；（c）微波电路场模拟；（d）测量灵敏度与频率的关系（图片来源：应用物理学评论）

图7 里德伯原子微波读出（a）10.223GHz微波同步检波电路图；（b）振幅（蓝色）和相位（绿色）测量；（c）在（b）中振幅数据的缩放图（图片来源：应用物理学评论）

3：结束语

      这项研究成果将直接支撑美陆军“下一代计算网络”和“可靠定位导航授时”（A-PNT）两大现代化重点项目。相比现有成熟通信接收机，基于里德伯原子的量子通信接收机显著优势在于，用一台接收机可覆盖全通信频谱，且尺寸可做得很小，不仅给单兵信息装备的配置和使用带来极大便利，还可能大幅简化其他有人、无人平台和武器的通信系统。下一步，陆军将继续从硬件和算法两方面开展研究，提高接收机的灵敏度，以检测更微弱、更复杂的信号。