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频率|应用前景广阔的原子无线电技术

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频率|应用前景广阔的原子无线电技术
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原子无线电技术原理概念图 。
战场上 ， 一旦释放强电磁干扰信号 ， 便会出现这样的现象：雷达屏幕一片“雪花” ， 通信耳机“吱吱”作响 ， 导航系统迷失方向……
面对强电磁干扰 ， 以传统电子学为基础的雷达、通信、导航等设备很可能无法正常工作 ， 甚至永久失效 。
如今 ， 这一窘境将被改变 。 这主要归功于一种叫作“原子无线电技术”的“黑科技” 。
今天 ， 让我们揭开这一“黑科技”的神秘面纱 ， 探索原子无线电技术是如何穿透电磁“迷雾”、看清复杂电磁世界的 。
伴随量子信息技术脱颖而出
当前 ， 以量子计算、量子通信、量子探测为代表的量子信息技术发展迅猛 。 作为新一轮科技革命和产业变革的前沿领域 ， 量子信息技术为人们认知和调控微观世界打开一扇“新窗口” ， 催生出诸多高精尖技术 ， 具有重大科学意义和战略价值 。
原子无线电技术 ， 就是量子探测技术在电子信息领域具体应用的体现 。 它通过探测空间电磁场中原子的状态变化 ， 精确感知看不见、摸不着的空间电磁场信息 。
【频率|应用前景广阔的原子无线电技术】原子无线电技术下的原子状态 ， 仅对某一频率的电磁波作出响应 ， 表现出很强的专一性 。 因此 ， 原子无线电技术不受其他电磁干扰信号的影响 ， 在复杂电磁环境下仍可发挥出应有水平 。
2012年 ， 美国俄克拉荷马大学的研究团队 ， 首次在室温下使用激光操控“里德堡原子” ， 实现了电场强度的测量 ， 灵敏度比传统微波电场计高了近100倍 。
这一巨大优势 ， 彻底颠覆了以电子学为基础的传统电磁信息感知体制 ， 标志着原子无线电技术的诞生 。
自此 ， 原子无线电技术步入了发展的“快车道” 。 近10年来 ， 研究人员运用复杂的光谱技术 ， 实现了原子无线电技术灵敏度大幅提升 。 他们通过改进实验系统 ， 实现了对空间电磁场频率、极化、相位的测量 。 当前 ， 科研人员初步展开了原子无线电技术在雷达、通信、成像、计量等传统电子信息领域的应用研究 。
精确感知让信息“尽收眼底”
传统电磁信息感知体制 ， 以电子学为基础 ， 噪声大 ， 不够灵敏 。 原子无线电技术的出现 ， 使这一体制实现了跨越式升级 。 该技术能通过测量原子的量子状态 ， 从而获得空间电磁场信息 。
——以原子为“媒” 。 众所周知 ， 原子是构成物质的最基本单元 ， 由原子核和核外分层排布的电子组成 ， 核外电子就像地球一样围绕原子核这个“太阳”进行“公转” 。 不同的是 ， 电子的运动轨道不像地球那样一成不变 ， 它可吸收能量“跳”到半径更大的轨道上 ， 甚至在不同半径的轨道上“跳来跳去” 。 这一现象被称为“能级跃迁” ， 核外电子处于较大轨道半径上的原子 ， 被称为上述的“里德堡原子” 。
原子核外电子的“跳”变轨道具有多样性 ， 轨道间隔所对应的频率覆盖范围很广 ， 从几赫兹到几太赫兹不等 。 当外界电磁场频率与轨道间隔所对应频率相同时 ， 就会产生“同频共振” ， 使“里德堡原子”的量子状态发生变化 。 通过测量“里德堡原子”的量子状态 ， 即可获得空间电磁场的各种信息 。
——以光子为“尺” 。 光学频率的测量 ， 是世界上公认的目前所能测量物理量中最为精确的测量方式 。 它就好比一把尺子 ， 能像测量长度一样精确获取包括时间在内的各种物理量 。
在原子无线电技术下 ， 使用激光照射原子 ， 原子吸收激光能量后 ， 原子核外电子“跳”变到更大的轨道半径上 ， 成为“里德堡原子” 。 当空间中存在电磁场时 ， “同频共振”会使“里德堡原子”的量子状态发生变化 ， 从而改变原子对激光的吸收性质 。 通过测量激光穿过原子后透射激光的光谱信息 ， 即可间接获取空间电磁场的各种信息 。
由此可见 ， 原子无线电技术 ， 可将空间电磁场信息测量转化为对光学频率的精准测量 ， 具有极高准确度 。
在军事领域应用前景广阔
原子无线电技术 ， 具有高精确度、高灵敏度、超宽带、无需校准以及抗干扰、抗毁伤能力强等诸多优点 ， 在电子信息系统中及各类武器作战平台上“大有作为” 。
可以说 ， 它是下一代雷达、通信、导航等设备的核心关键技术 ， 在提升作战能力等方面应用前景广阔 。
——提升对弱小目标的探测能力 。 传统的电子学电磁信息感知技术 ， 利用电磁波改变金属中自由电子运动状态、产生电流的方式 ， 来获取电磁场信息 。 然而 ， 金属中的自由电子并不“自由” ， 它会在金属中进行随机热运动 ， 产生的热噪声会导致提取信息不准确 ， 且不能及时对微弱电磁场作出响应 ， 金属材料也会对待测场产生干扰 。 即使在测量前进行校准 ， 也无法精准快速测量电磁场 。 原子无线电技术使用光学手段进行测量 ， 能克服自由电子热噪声影响 。 即便在极弱的电磁场作用下 ， 也会产生“同频共振” ， 具有超高灵敏度 ， 特别适用于对隐形飞机、无人机等弱小目标的远距离探测 。
——提升与武器装备的兼容能力 。 传统的无线电接收 ， 通常需多个天线、放大器和其他组件接收信号 ， 单个天线无法实现宽频谱信号接收 。 同时 ， 频率越低 ， 所需天线尺寸就越大 ， 这极大限制了其在武器装备的应用 。 原子无线电技术在实际系统应用中 ， 仅使用一个毫米甚至微米量级的原子气室 ， 即可实现全频段电磁信息感知 ， 突破了传统电磁信号接收天线尺寸的限制 。 小型化、集成化的巨大优势 ， 使该技术可在单兵、单车、单机等各类作战平台上大显身手 。
——提升装备在复杂电磁环境下的生存能力 。 传统电子学电磁信息感知技术 ， 在强电磁辐射情况下 ， 接收机易损毁 。 在原子无线电子技术下 ， 原子体系可被重复利用 ， 在强电磁辐射情况下仍可正常工作 ， 能有效抵抗电磁毁伤 。 另外 ， 原子体系感知电磁场的方式灵活、隐蔽 ， 不像传统天线会强烈吸收电磁波能量 ， 造成天线位置处的电磁场发生较大变化而暴露目标 。 因此 ， 相关设备在战场上能顽强地生存下来 。
随着量子信息技术的快速发展 ， 在未来战场上 ， 原子无线电技术发挥出的作战效能将会远超我们的想象 。
版式设计：梁 晨
作者：安 强 杨 柳 方姝阳

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