原子无线电技术 | 应用物理前沿推介系列No.18

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本期推介

原子无线电技术

无线电波指的是频率在3 Hz-3 THz（3-3×10¹² Hz）范围内的空间电磁波。作为信息在自由空间中的主要载体之一,无线电波被广泛的应用于通讯及遥感等领域,成为了人类社会运作及发展的必要工具。例如，5G技术基于无线电波完成海量信息的便捷传输，射电望远镜接收来自深空的无线电波观测宇宙，雷达接收未知目标反射的无线电波实现对其发现、定位及跟踪监视的功能。自1887年德国物理学家赫兹（H. R. Hertz）首次使用火花隙装置和偶极天线实现了对无线电波的探测以来，基于金属天线的无线电波测量在技术上已经经过了约140年的飞速发展，然而基本原理却始终相同：金属内部的自由电子在无线电波电场作用下形成宏观电流，从而实现对无线电波信号的收集。在室温下，金属内部自由电子具有无规则的热运动，使得宏观电流里引入了噪声，被称为琼斯奈奎斯特噪声（自由电子热噪声）。由于信号和噪声均被编码在宏观电流中，两者无法区分，使得基于金属天线的传统无线电接收装置灵敏度无法突破热噪声极限。技术的不断进步，例如隐身材料的不断发展，对无线电接收装置的灵敏度提出了更高的要求，使得陷入瓶颈的百年赫兹体系难以应对。

近年来，量子精密测量技术发展迅猛。2019年，国际计量局宣布人类进入量子计量时代。原子钟和原子磁力计的发展使时间和磁场的测量精度及灵敏度达到了前所未有的新高度。量子精密测量技术也为突破经典无线电技术瓶颈提供了新路径。原子无线电技术，即基于里德堡原子的无线电波精密测量技术应运而生，其测量过程主要包含以下步骤：

1) 通过光学手段将处于基态的碱金属原子气体激发到高激发的里德堡态，处于这种特殊量子态的原子原子核最外层电子离核较远，受核电场束缚较小，因此对外界的无线电波电场具有灵敏的响应，可以实现灵敏测量；

2) 无线电波与制备好的里德堡原子发生相互作用，使得里德堡原子波函数发生改变；

3) 里德堡原子波函数的改变通过光学的方式进行读取，通过波函数变化反推无线电波信息，最终实现对无线电波携带信息的提取。

图 1. 经典无线电技术及原子无线电技术的测量原理示意图

由于基于与经典无线电技术截然不同的测量原理，原子无线电技术的理论灵敏度仅受限于量子噪声[1]，其测量具有可溯源至国际标准单位制的特性[2]，且传感效率与电尺寸去耦[3]。因此，原子无线电技术有潜力实现突破经典体系的高灵敏、高精确、超宽带测量，近些年来迅速发展。无线电技术开始了无线电波接收和测量从百年赫兹体系向量子体系的变革。

里程碑性进展

作为新兴的量子精密测量技术，经过十余年的发展，原子无线电技术产生了三个里程碑性进展：

1、原子电场计

俄克拉荷马大学研究团队于2012年首次实现了基于高激发里德堡原子的无线电波精密测量[4]，测量灵敏度达到30 μV cm^-1 Hz^-1/2。里德堡原子是处于高主量子数的激发态原子，其主量子数越高，电子离原子核越远，电偶极矩越大，因此里德堡原子具有许多优异的特性，包括对外场响应灵敏、具有较长的辐射寿命等。除此之外，里德堡原子还可以实现全光学的初始化和读取、具有最大的响应带宽（DC到THz 范围）及电偶极跃迁偶极距，可以借助量子相干效应和纠缠原子体系实现超越标准量子噪声极限的的量子传感等，一经提出便成为了最为合适的无线电波测量量子平台。同时半导体稳频激光器技术的发展、热原子蒸气池中里德堡原子的成功制备及量子态的光学读取的实现也为基于该平台的无线电波精密测量系统的工程实现提供了坚实的基础。

2、原子超外差接收机

俄克拉荷马大学研究团队实现的里德堡原子电场计仅能实现对无线电波电场强度的测量，无法提取无线电波的频率和相位信息，而后两者的感知则是该技术能够走向应用的关键难题。为了解决该难题，2020年研究者提出了原子超外差测量方法，发展并建立了一套原子超外差接收机原理样机，并基于该装置实现了基于原子蒸气池系统的微波电场相敏超灵敏测量[5]。该方法通过引入一个可控的本振微波场，其作为相位参考实现对信号微波场的相敏测量，同时增加了量子系统的可控维度，提高了测量灵敏度。原子超外差接收机最终实现的最小可测量电场强度优于国际最佳水平约三个数量级，测量灵敏度达到55 nV cm^-1 Hz^-1/2。同时相对于原子电场计，原子超外差接收机更容易达到光学散粒噪声极限。原子超外差测量方法的提出和原子超外差接收机的实现真正意义上证明了量子体系在功能上能够满足无线电波测量的全部需求，同时在性能上具有远优于经典无线电接收系统的潜力。

3、原子无线电技术上升为战略性技术

2020年美国通过其国防高级研究计划局（DARPA）布局了量子孔径（Quantum Apertures，QA，HR001121S0002）和应用于新技术的原子蒸气科学（Science of Atomic Vapors for New Technologies，SAVaNT，HR001120S0062）两个计划用于支持相关方向的研究。其中量子孔径计划预计资助5000万美元用于发展基于里德堡原子的无线电波测量装置并演示其在国防军工中的实用性，而后者则提供资助用于研究里德堡原子电场计。2022年美国国家科学和技术委员会（NSTC）量子信息科学小组委员会（SCQIS）发布了名为《将量子传感器付诸实践》（BRINGING QUANTUM SENSORS TO FRUITION）的报告，指出基于原子无线电技术实现的里德堡传感器可以实现超宽带、小型化的无线电测量装置。量子孔径计划、SAVaNT计划的开展以及美国发布量子传感器国家战略标志着原子无线电技术已经开始工程应用的进程，成为了原子无线电技术的第三个里程碑。

难点和挑战

原子无线电技术的难点和挑战在于：

1、制备大数量、高纯度里德堡原子

原子无线电技术的测量灵敏度受限于量子投影噪声极限，灵敏度反比于参与测量原子数的平方根，意味着原子数越多，越能够实现灵敏的测量。当前技术手段仅能将不到1/100的基态原子激发到可用于测量的里德堡态，使得原子传感器灵敏度尚未达到其理论预期。如何在具有较宽原子速度分布的热原子气室中克服多普勒频移和偶极阻塞效应，将基态原子高效激发至里德堡态，从而实现大数量、高纯度的里德堡原子制备是原子无线电技术达到高灵敏度的关键。

2、量子投影噪声极限的终态波函数读取

里德堡原子与无线电波相互作用后的终态波函数通过光学的手段进行读取。光学读取的过程中受到探测激光自身的强度和频率噪声、原子渡越及自发辐射过程引入到探测激光中的光与原子相互作用噪声等经典噪声的干扰。如何在大原子数下有效的克服经典噪声，达到量子投影噪声极限的终态波函数读取也是原子无线电技术达到高灵敏度的难点之一。

3、实现大有效接收孔径

经典无线电测量装置通常具有较大的能量接收的物理口径，例如“天眼”射电望远镜（FAST）使用500米口径的球面天线来实现对空间无线电波的高效收集，从而达到较高的系统级灵敏度。当原子传感器的单位物理口径灵敏度实现对经典的突破，原子无线电接收装置的物理口径仍需与经典体系可比拟才能体现出系统级灵敏度的优势。当前原子传感单元基于内部真空的玻璃气室构成，受限于材料结构强度等原因，单单元尺寸有限，如何实现大物理口径成为了原子无线电技术系统级灵敏度提升的挑战。

总体而言，原子无线电技术作为基于量子平台的无线电波测量技术，已展示出突破经典无线电波测量体系在测量灵敏度、测量带宽、测量精确度等方面存在的物理瓶颈的潜力。由于无线电波在无线通讯、雷达、遥感等领域的广泛应用，发展原子无线电技术，实现突破经典瓶颈的无线电波测量将极大提升我国的国防实力，提高我国在国家安全方面的国际竞争力。

展望

2021年，国务院印发了《计量发展规划（2021—2035年）》，对未来计量事业发展进行全面系统的部署安排，明确提出到2025年初步建立国家现代先进测量体系，到2035年建成以量子计量为核心、科技水平一流、符合时代发展需求和国际化发展潮流的国家现代先进测量体系。无线电的量子精密测量不仅包括电场的测量，还包括磁场的测量，频率从直流到微波、毫米波和太赫兹，空间分辨率从纳米到厘米尺度，应用领域涵盖国防、医疗和集成电路[6,7]。这一前沿学科交叉领域的研究刚刚兴起，将极大丰富国家现代先进测量体系建设的内涵。

推介人

张临杰  量子光学与光量子器件国家重点实验室，山西大学激光光谱研究所，教授，博士研究生导师，主要从事基于里德堡原子电场量子精密测量与传感、超冷里德堡原子量子模拟方面的工作。

参考资料

1. Fan, H., et al., Atom based RF electric field sensing. Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics, 2015. 48, 202001.

2. Holloway, C.L., et al., Broadband Rydberg atom-based electric-field probe for SI-traceable, self-calibrated measurements. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2014. 62, 6169.

3. Cox, K.C., et al., Quantum-limited atomic receiver in the electrically small regime. Physical Review Letters, 2018. 121, 110502.

4. Sedlacek, J.A., et al., Microwave electrometry with Rydberg atoms in a vapour cell using bright atomic resonances. Nature Physics, 2012. 8, 819.

5. Jing, M., et al., Atomic superheterodyne receiver based on microwave-dressed Rydberg spectroscopy. Nature Physics, 2020. 16, 911.

6. Dong, M.M., et al., A fiber based diamond RF B-field sensor and characterization of a small helical antenna. Appl. Phys. Lett. 2018. 113, 131105.

7. Wang, Z.C., et al., Picotesla magnetometry of microwave fields with diamond sensors. Science Advances 2022. 8, eabq8158.

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前沿推介专栏

为推动中国的应用物理研究，中国物理学学会和中科院物理所“应用物理中心“合作推出《应用物理前沿推介》专栏，用以推动应用物理的学科教育，推介国际应用物理前沿的最新重要成果，把握有重大应用潜力的物理研究动态，促进不同学科和不同领域之间的交叉融合，激发新的原创思想，使物理研究更好地服务国家战略需求。

中国物理学会特别成立了“应用物理前沿推介委员会”，同时将鼓励各方向召集人牵头组织针对所在领域的专题讨论会，使广大物理同行以未来重大应用为牵引，进行有深度的学术研讨，促进优秀科学家之间的思想碰撞，激发科学家提出有颠覆性应用潜力的新原理、新方法、新技术路线和新概念。

专栏推介文章由“前沿推介委员会”委员亲自或邀请知名专家撰稿，具有前瞻性(Foresight)，易读性(Accessibility)，洞察性(Insights)，快速性(Timeliness)和突出性(Highlights)等特色亮点。

中国物理学会

应用物理前沿推介委员会

主    任：吴义政， 复旦大学

副主任：杨海涛，中科院物理所

一、传感与探测方向

召集人：柴国志

委   员：王鹏、彭斌、黄晓砥、贺晓霞

二、量子精密测量方向

召集人：荣星

委   员：屈继峰、刘刚钦、杜关祥、鲁大为

三、新型信息载体与技术方向

召集人：黄元

委   员：李志强、郝玉峰、叶堉、张金星

四、微波与太赫兹物理与技术方向

召集人：孙亮

委   员：齐静波、陶洪琪、李龙、高翔

五、光子与光电子学方向

召集人：肖云峰

委   员：魏钟鸣、王建禄、李家方、邓震

六、功率半导体物理与器件方向

召集人：孙钱

委   员：黄森、江洋、周弘、王俊

七、材料物理方向

召集人：于浦

委   员：柳延辉、刘淼、周家东、于海滨

八、低温物理与技术方向

召集人：金魁

委   员：程智刚、刘楠、李雪、沈俊

九、能量转化、存储与传输方向

召集人：禹习谦

委   员：史迅、刘明桢、赵怀周、王凯

十、极端条件物理与技术方向

召集人：吉亮亮

委   员：于晓辉、周睿、胡建波、付恩刚

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