【前沿技术】美军开发量子传感器以改变战场通信
2022-11-24 14:00:51
来源：防务快讯
简介
里德堡传感器的工作原理充分利用了里德堡原子的特性，即当里德堡原子暴露于不同种类的电磁场时，会以不同的方式发生反应。这种基于原子的接收器将更小、更轻，灵敏度更高，同时需要更低的功率，在具有挑战性的频谱环境中可能比传统无线电接收器更好地工作，为通信、频谱感知和分析以及电子战提供了新的潜力。专家表示，随着基于原子的传感器技术的发展，该技术已经具备了实际应用于战场和其他领域的可能性。
里德堡接收器能探测到传统技术无法探测到的非常微弱的电磁信号，它们也具备应用于气候监测、测量或校准电压等任务的潜力。近年来的一系列事件表明，原子接收器技术正不断发展，而人们对原子接收器的兴趣也不断增长。例如，美国国防高级研究计划局于2021年8月宣布成立量子孔径项目（Quantum Apertures）团队，并于9月宣布成立原子蒸汽科学新技术(SAVaNT)项目团队。
陆军研究实验室去年证明，量子传感器可以分析无线电频率和0-100GHz频谱范围内的信号，可探测调幅(AM)和调频(FM)、蓝牙、Wi-Fi(无线保真度)和其他信号。美陆军科学家正在继续研究提高量子传感器灵敏度的方法，实现对更弱信号的检测，并将其扩展到更复杂波形的检测。今年早些时候，在美国国防高级研究计划局的赞助下，美国国家标准与技术研究所(NIST)的研究人员使用了一种铜制耳机状装置，将原子无线电接收器的灵敏度提高了一百倍，并证明里德堡原子可以探测到电视和视频游戏传输信号。
原子接收器最终可能比传统传感器在尺寸、重量和功率方面具有优势，部分原因是它们不需要天线，并且原子接收器检测射频场的方式本质上是无损的，而传统天线会强烈吸收射频能量。
Christopher L. Holloway是NIST里德堡传感器项目的负责人，也是电磁场小组的组长，他研究量子接收器至少有15年了。根据Holloway和美国陆军指挥、控制、通信、计算机、网络、情报、监视和侦察(C5ISR)中心无线电频率通信部主任James Tucker Swindell的说法，里德堡传感器项目的目标是开发一个鞋盒大小的接收器。
NIST在一个芯片级原子钟上开发了里德堡传感器，大小约为8个25美分的硬币摞在一起，其中包括这个小原子钟、蒸汽电池、激光器和电源。NIST团队使用了两种彩色激光器，其中一种能够发射直径为780纳米的红色不可见激光，另一种能够发射蓝色或绿色的可见耦合激光。当探测原子时，打开第二种彩色激光即可使原子进入里德堡态，探测激光是读取原子响应的方式。耦合激光仍然是部署移动里德堡接收器的最大挑战之一，目前美军还没有便携式蓝色或绿色激光器，无法提供足够的能量来进行测量。
NIST团队还与NASA合作开发天基传感器，NASA喷气推进实验室的“冰冻圈”里德堡雷达项目建立在原子接收器技术的基础上，可以远程感知冰流、冰架演化、积雪积累和基岩测绘。该项目的目标是在几年内将这些传感器送入太空，然后用它来对地球甚至其他行星进行监测。
