控制量子无线电天线的实验装置。

华沙大学物理学院和量子光学技术中心的研究团队基于里德堡原子的基本特性，开发出一种新型全光无线电接收器。这种新型接收器不仅灵敏度极高，而且还具有内部校准功能，天线本身仅由激光供电。

这项由塞巴斯蒂安·博罗瓦卡（Sebastian Borówka）、马特乌什·马泽拉尼克（Mateusz Mazelanik）、沃伊切赫·瓦西列夫斯基（Wojciech Wasilewski）和米哈尔·帕尼亚克（Micha? Parniak）共同参与的研究成果发表于《自然·通讯》期刊。该研究为量子传感器的技术应用开启了新篇章。

在当今社会，海量数字信息每秒都在我们周围传递。其中大部分通过无线电传输，即利用电磁波进行传播。长期以来，人们采用调幅技术来编码信息，通过发送强弱不同的波形实现传输。

新型协议还改变了波的相位，即相对于约定时钟周期的振动延迟。每台现代发射机和接收机都配备了精密节拍器，用于确定传输和解码波所需的时钟周期——在技术术语中，这被称为超外差解调。

隐藏在波浪中的信息

这些技术可用一个类比来轻松解释。沃伊切赫·瓦西列夫斯基教授建议想象接收海浪的过程：站在海滩上接收波浪编码的信息时，必须同时关注波浪的强度（它们冲上沙滩的深度），以及波浪拍岸的确切时刻。

同样的原理适用于用茶匙在茶杯中“传输”波浪：若我们将自己视为WiFi发射器，茶匙就必须以稳定节奏浸入茶水，与控制电路保持同步。但我们不应每次响应都立即行动，而应每次都保持相同的延迟。

每隔数千个周期，我们需要调整深度和延迟——即在节拍的哪个时刻浸入茶匙。这便形成了正交幅度调制（QAM）。

光偏置微波接收器。

在实际应用中，金属天线常用于接收信号，其将入射波的能量重定向至接收器。能量吸收使电子设备能够测量波的振幅与相位。如今，这种测量通过频率转换（混频）实现。

天线输出的电信号以每秒数十亿次（千兆赫频率）的振动频率，被导入所谓的混频器。该装置实现解调功能——将高速振动的振幅与相位转换为低频信号（仅以每秒数百万次振动频率运行，即兆赫频率）。

在此阶段，可轻松分离我们不希望接收的相邻频道。现代电子设备能以每秒数千万次的频率轻松完成数字电压测量。这些测量数据用于重建振动的完整波形，并借助数字信号处理算法还原其振幅与相位。

全光量子无线电天线，一个由激光束驱动的铷玻璃容器。

原子的同步舞步

正如米哈尔·帕尼亚克博士所解释的：“在我们的实验中，我们用一种新型介质——类似人造北极光的装置——取代了天线和电子混频器?！?/span>

一块铷被置于经过彻底抽空的玻璃容器中。随后，原子从铷块中释放出来，飞入玻璃容器。它们随即被引导进行一场精心策划的表演。每个铷原子拥有一个相对自由的电子，它围绕原子核及由其余36个电子构成的核心，执行着复杂的舞蹈编排。

三束不同激光在此舞蹈中扮演音乐角色。其振动频率被超精密地稳定在铷原子电子轨道可能的频率范围内——这些频率由量子力学定律决定。

当电子“聆听”到这样的“旋律”时，它们会在激光舞步的特定节拍中进入极其遥远的轨道——即所谓的里德堡态。在这些轨道上，它们的运动轨迹极易被微波弯曲。

具体而言，是通过与激光播放的旋律同步的无线电波实现的。然而，处于里德堡态（被提升至高能轨道）的每个电子都无法无限期停留，最终会像退役卫星般坠落。受无线电波影响的电子沿着不同轨迹下落，并释放出与激光不同的红外辐射，使其易于被探测。

超外差与光偏置方案的比较

最关键的是，微波的相位会反映在发射的红外辐射相位中：若无线电波在固定周期内“撞击”得更早，电子也会提前坠落并更早地发射辐射。

最新发表的研究成果攻克的难题在于构建一套精确控制激光器与电子舞步的系统，确保电子运动的节奏永不失控地减缓或加速。为此，研究团队采用了一系列“节拍器”装置。

每台激光器均配备特制真空管，管端装有高精度反射镜，使光线在管内反射数千次。这种被称为光学腔的装置，如同管风琴管或小提琴弦，仅能筛选特定频率的振动。

实验中使用的腔体中，两个场域同步振动——一个是稳定的激光场，另一个是参考激光场。后者的频率通过电子手段精确匹配铷原子电子围绕原子核运动的最低能级轨道周期。此外，通过特殊晶体混合频率，利用激光器产生参考红外辐射。

相位参考信号可实现傅里叶极限频谱检测。

该晶体对微波不敏感，因此其发出的红外辐射频率与铷原子发出的红外辐射频率略有不同。实际测量需要使用额外的参考激光器，以此为基准测量原子发出的红外辐射和混合晶体发出的参考红外辐射。

这种相对测量——即光学外差法——使得获取待测场强的振幅与相位成为可能。进而可据此直接计算接收微波的振幅与相位。

不可探测的无线电场检测

在所展示实验的核心——即铷原子阱中，不存在任何会传导电能并严重干扰无线电波的金属元素。将无线电波转化为红外辐射所需的仅有铷蒸气、密封腔体和激光器。

未来探测器或可仅以光纤增厚层的形式存在，所有必要激光器均可通过该结构供能，接收到的红外辐射亦可沿光纤反向传输。最终测量与校正工作甚至可在距无线电场数十米外完成，从而实现对无线电场极度隐蔽、非侵入式的测量与接收。

铷玻璃单元——未来的微型天线。

这项发明可能对微波场的精密校准技术产生重大影响。借助非侵入式测量技术，人们将能够在不使用金属天线干扰的情况下记录微弱的微波场。这种微波传感器甚至可以完美伪装成窃听装置。与现有电子设备不同，它作为无线电传输接收器的可被探测性将大幅降低。

华沙大学量子光学技术中心与物理学院的科研团队，多年来持续设计并验证基于里德堡原子的微波场检测新方案。该团队正成功突破技术瓶颈，开发出这些革命性设备所赋予的全新探测方法。

科学家们正积极探索这项新技术的应用前景，其易于校准、高灵敏度、高测量精度以及设备微型化的潜力备受关注。

这项技术的快速发展吸引了国外和国际计量标准化机构、军事机构和航天机构的关注，它们计划将来在卫星上安装里德堡传感器。

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