原子無(wú)線電技術(shù)是如何穿透電磁“迷霧”的？

戰(zhàn)場(chǎng)上，一旦釋放強(qiáng)電磁干擾信號(hào)，便會(huì)出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象：雷達(dá)屏幕一片“雪花”，通信耳機(jī)“吱吱”作響，導(dǎo)航系統(tǒng)迷失方向……

面對(duì)強(qiáng)電磁干擾，以傳統(tǒng)電子學(xué)為基礎(chǔ)的雷達(dá)、通信、導(dǎo)航等設(shè)備很可能無(wú)法正常工作，甚至永久失效。

如今，這一窘境將被改變。這主要?dú)w功于一種叫作“原子無(wú)線電技術(shù)”的“黑科技”。

今天，讓我們揭開這一“黑科技”的神秘面紗，探索原子無(wú)線電技術(shù)是如何穿透電磁“迷霧”、看清復(fù)雜電磁世界的。

伴隨量子信息技術(shù)脫穎而出

當(dāng)前，以量子計(jì)算、量子通信、量子探測(cè)為代表的量子信息技術(shù)發(fā)展迅猛。作為新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的前沿領(lǐng)域，量子信息技術(shù)為人們認(rèn)知和調(diào)控微觀世界打開一扇“新窗口”，催生出諸多高精尖技術(shù)，具有重大科學(xué)意義和戰(zhàn)略價(jià)值。

原子無(wú)線電技術(shù)，就是量子探測(cè)技術(shù)在電子信息領(lǐng)域具體應(yīng)用的體現(xiàn)。它通過(guò)探測(cè)空間電磁場(chǎng)中原子的狀態(tài)變化，精確感知看不見、摸不著的空間電磁場(chǎng)信息。

原子無(wú)線電技術(shù)下的原子狀態(tài)，僅對(duì)某一頻率的電磁波作出響應(yīng)，表現(xiàn)出很強(qiáng)的專一性。因此，原子無(wú)線電技術(shù)不受其他電磁干擾信號(hào)的影響，在復(fù)雜電磁環(huán)境下仍可發(fā)揮出應(yīng)有水平。

2012年，美國(guó)俄克拉荷馬大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)，首次在室溫下使用激光操控“里德堡原子”，實(shí)現(xiàn)了電場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)量，靈敏度比傳統(tǒng)微波電場(chǎng)計(jì)高了近100倍。

這一巨大優(yōu)勢(shì)，徹底顛覆了以電子學(xué)為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)電磁信息感知體制，標(biāo)志著原子無(wú)線電技術(shù)的誕生。

自此，原子無(wú)線電技術(shù)步入了發(fā)展的“快車道”。近10年來(lái)，研究人員運(yùn)用復(fù)雜的光譜技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了原子無(wú)線電技術(shù)靈敏度大幅提升。他們通過(guò)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)空間電磁場(chǎng)頻率、極化、相位的測(cè)量。當(dāng)前，科研人員初步展開了原子無(wú)線電技術(shù)在雷達(dá)、通信、成像、計(jì)量等傳統(tǒng)電子信息領(lǐng)域的應(yīng)用研究。

精確感知讓信息“盡收眼底”

傳統(tǒng)電磁信息感知體制，以電子學(xué)為基礎(chǔ)，噪聲大，不夠靈敏。原子無(wú)線電技術(shù)的出現(xiàn)，使這一體制實(shí)現(xiàn)了跨越式升級(jí)。該技術(shù)能通過(guò)測(cè)量原子的量子狀態(tài)，從而獲得空間電磁場(chǎng)信息。

——以原子為“媒”。眾所周知，原子是構(gòu)成物質(zhì)的最基本單元，由原子核和核外分層排布的電子組成，核外電子就像地球一樣圍繞原子核這個(gè)“太陽(yáng)”進(jìn)行“公轉(zhuǎn)”。不同的是，電子的運(yùn)動(dòng)軌道不像地球那樣一成不變，它可吸收能量“跳”到半徑更大的軌道上，甚至在不同半徑的軌道上“跳來(lái)跳去”。這一現(xiàn)象被稱為“能級(jí)躍遷”，核外電子處于較大軌道半徑上的原子，被稱為上述的“里德堡原子”。

原子核外電子的“跳”變軌道具有多樣性，軌道間隔所對(duì)應(yīng)的頻率覆蓋范圍很廣，從幾赫茲到幾太赫茲不等。當(dāng)外界電磁場(chǎng)頻率與軌道間隔所對(duì)應(yīng)頻率相同時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生“同頻共振”，使“里德堡原子”的量子狀態(tài)發(fā)生變化。通過(guò)測(cè)量“里德堡原子”的量子狀態(tài)，即可獲得空間電磁場(chǎng)的各種信息。

——以光子為“尺”。光學(xué)頻率的測(cè)量，是世界上公認(rèn)的目前所能測(cè)量物理量中最為精確的測(cè)量方式。它就好比一把尺子，能像測(cè)量長(zhǎng)度一樣精確獲取包括時(shí)間在內(nèi)的各種物理量。

在原子無(wú)線電技術(shù)下，使用激光照射原子，原子吸收激光能量后，原子核外電子“跳”變到更大的軌道半徑上，成為“里德堡原子”。當(dāng)空間中存在電磁場(chǎng)時(shí)，“同頻共振”會(huì)使“里德堡原子”的量子狀態(tài)發(fā)生變化，從而改變?cè)訉?duì)激光的吸收性質(zhì)。通過(guò)測(cè)量激光穿過(guò)原子后透射激光的光譜信息，即可間接獲取空間電磁場(chǎng)的各種信息。

由此可見，原子無(wú)線電技術(shù)，可將空間電磁場(chǎng)信息測(cè)量轉(zhuǎn)化為對(duì)光學(xué)頻率的精準(zhǔn)測(cè)量，具有極高準(zhǔn)確度。

在軍事領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊

原子無(wú)線電技術(shù)，具有高精確度、高靈敏度、超寬帶、無(wú)需校準(zhǔn)以及抗干擾、抗毀傷能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，在電子信息系統(tǒng)中及各類武器作戰(zhàn)平臺(tái)上“大有作為”。

可以說(shuō)，它是下一代雷達(dá)、通信、導(dǎo)航等設(shè)備的核心關(guān)鍵技術(shù)，在提升作戰(zhàn)能力等方面應(yīng)用前景廣闊。

——提升對(duì)弱小目標(biāo)的探測(cè)能力。傳統(tǒng)的電子學(xué)電磁信息感知技術(shù)，利用電磁波改變金屬中自由電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、產(chǎn)生電流的方式，來(lái)獲取電磁場(chǎng)信息。然而，金屬中的自由電子并不“自由”，它會(huì)在金屬中進(jìn)行隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生的熱噪聲會(huì)導(dǎo)致提取信息不準(zhǔn)確，且不能及時(shí)對(duì)微弱電磁場(chǎng)作出響應(yīng)，金屬材料也會(huì)對(duì)待測(cè)場(chǎng)產(chǎn)生干擾。即使在測(cè)量前進(jìn)行校準(zhǔn)，也無(wú)法精準(zhǔn)快速測(cè)量電磁場(chǎng)。原子無(wú)線電技術(shù)使用光學(xué)手段進(jìn)行測(cè)量，能克服自由電子熱噪聲影響。即便在極弱的電磁場(chǎng)作用下，也會(huì)產(chǎn)生“同頻共振”，具有超高靈敏度，特別適用于對(duì)隱形飛機(jī)、無(wú)人機(jī)等弱小目標(biāo)的遠(yuǎn)距離探測(cè)。

——提升與武器裝備的兼容能力。傳統(tǒng)的無(wú)線電接收，通常需多個(gè)天線、放大器和其他組件接收信號(hào)，單個(gè)天線無(wú)法實(shí)現(xiàn)寬頻譜信號(hào)接收。同時(shí)，頻率越低，所需天線尺寸就越大，這極大限制了其在武器裝備的應(yīng)用。原子無(wú)線電技術(shù)在實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用中，僅使用一個(gè)毫米甚至微米量級(jí)的原子氣室，即可實(shí)現(xiàn)全頻段電磁信息感知，突破了傳統(tǒng)電磁信號(hào)接收天線尺寸的限制。小型化、集成化的巨大優(yōu)勢(shì)，使該技術(shù)可在單兵、單車、單機(jī)等各類作戰(zhàn)平臺(tái)上大顯身手。

——提升裝備在復(fù)雜電磁環(huán)境下的生存能力。傳統(tǒng)電子學(xué)電磁信息感知技術(shù)，在強(qiáng)電磁輻射情況下，接收機(jī)易損毀。在原子無(wú)線電子技術(shù)下，原子體系可被重復(fù)利用，在強(qiáng)電磁輻射情況下仍可正常工作，能有效抵抗電磁毀傷。另外，原子體系感知電磁場(chǎng)的方式靈活、隱蔽，不像傳統(tǒng)天線會(huì)強(qiáng)烈吸收電磁波能量，造成天線位置處的電磁場(chǎng)發(fā)生較大變化而暴露目標(biāo)。因此，相關(guān)設(shè)備在戰(zhàn)場(chǎng)上能頑強(qiáng)地生存下來(lái)。

隨著量子信息技術(shù)的快速發(fā)展，在未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)上，原子無(wú)線電技術(shù)發(fā)揮出的作戰(zhàn)效能將會(huì)遠(yuǎn)超我們的想象。

原文標(biāo)題：黑科技：原子無(wú)線電技術(shù)應(yīng)用前景及最新研究進(jìn)展

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