北京
這種基于里德伯原子的傳感器可幫助士兵探測戰場上復雜的電磁信號。
美國陸軍科學家展示了一種新型量子傳感器，能夠測量射頻電磁場的完整三維方向，這一里程碑可能重塑戰場上的信號探測方式。
這一突破由美國陸軍作戰能力發展司令部（簡稱DEVCOM）陸軍研究實驗室的科學家們取得。
據研究人員稱，該傳感器可提升態勢感知能力、加強安全通信，并幫助士兵在復雜的戰場環境中更快地做出更明智的決策。
“我們量子科學方面的工作，是為士兵提供感知和理解周圍世界的新途徑，”陸軍研究實驗室研究物理學家大衛·邁耶說。“這項研究為在單一傳感組件中，于寬頻率范圍內探測和定位信號打開了大門，即便在最嚴苛的環境下也能實現。”
在三維空間中測量無線電波
這種新型傳感器基于里德伯原子，這些原子處于高度激發態，因而對電場極其敏感。
研究人員描述了該裝置不僅能確定電磁場強度，還能確定三維極化方向與傳播方向，即所謂的k向量。
據陸軍研究實驗室稱，這是首次使用量子傳感器實現此類測量。
傳統傳感器通常一次只能測量一個方向上的電磁場強度。然而，陸軍研究實驗室開發的量子傳感器可以“看到”電磁場的方向和運動，提供完整的三維圖像。
盡管傳感器直徑僅幾厘米，卻能以約兩度的精度確定入射信號的方向。這可能使其成為一種高度靈活的平臺，用于在爭奪激烈的環境中探測和定位射頻信號。
擁擠頻譜中的微型傳感器
與傳統天線不同，傳統天線通常需要其物理尺寸與所探測信號的波長相當，且一般局限于窄頻率范圍，而陸軍研究實驗室的傳感器不受信號尺寸限制，還能在整個射頻頻譜上工作。
這一能力源自里德伯原子的寬帶特性，其工作范圍可從直流電到太赫茲頻率。
“現代戰場是一個極為復雜的射頻環境，”邁耶說。“隨著自主系統的激增，戰場上可能有數百個不同的信號源。擁有一個覆蓋整個射頻頻譜、并能夠測量這些場三維方向的單一傳感器平臺，代表著一種潛在的變革性能力，尤其是在頻譜感知方面，”他接著說。
基于多年的量子研究
該傳感器通過使用一個充滿銣原子蒸氣的微型玻璃容器工作。研究人員用激光照射該容器，將原子激發至里德伯態。當無線電波穿過時，原子的響應方式可揭示電磁場在三維空間中的強度、方向和運動。
這項最新工作建立在陸軍研究實驗室先前開發的里德伯電場計基礎上。2024年，該團隊展示了其測量射頻場極化、并解碼極化中編碼信息的能力。
該研究發表在《物理評論·應用》（Physical Review Applied）期刊上
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