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【前沿技術】美軍開發量子傳感器以改變戰場通信

2022-11-24 14:00:51

來源：防務快訊


簡介
里德堡傳感器的工作原理充分利用了里德堡原子的特性，即當里德堡原子暴露于不同種類的電磁場時，會以不同的方式發生反應。這種基于原子的接收器將更小、更輕，靈敏度更高，同時需要更低的功率，在具有挑戰性的頻譜環境中可能比傳統無線電接收器更好地工作，為通信、頻譜感知和分析以及電子戰提供了新的潛力。專家表示，隨著基于原子的傳感器技術的發展，該技術已經具備了實際應用于戰場和其他領域的可能性。



里德堡接收器能探測到傳統技術無法探測到的非常微弱的電磁信號，它們也具備應用于氣候監測、測量或校準電壓等任務的潛力。近年來的一系列事件表明，原子接收器技術正不斷發展，而人們對原子接收器的興趣也不斷增長。例如，美國國防高級研究計劃局于2021年8月宣布成立量子孔徑項目（Quantum Apertures）團隊，并于9月宣布成立原子蒸汽科學新技術(SAVaNT)項目團隊。

陸軍研究實驗室去年證明，量子傳感器可以分析無線電頻率和0-100GHz頻譜范圍內的信號，可探測調幅(AM)和調頻(FM)、藍牙、Wi-Fi(無線保真度)和其他信號。美陸軍科學家正在繼續研究提高量子傳感器靈敏度的方法，實現對更弱信號的檢測，并將其擴展到更復雜波形的檢測。今年早些時候，在美國國防高級研究計劃局的贊助下，美國國家標準與技術研究所(NIST)的研究人員使用了一種銅制耳機狀裝置，將原子無線電接收器的靈敏度提高了一百倍，并證明里德堡原子可以探測到電視和視頻游戲傳輸信號。

原子接收器最終可能比傳統傳感器在尺寸、重量和功率方面具有優勢，部分原因是它們不需要天線，并且原子接收器檢測射頻場的方式本質上是無損的，而傳統天線會強烈吸收射頻能量。

Christopher L. Holloway是NIST里德堡傳感器項目的負責人，也是電磁場小組的組長，他研究量子接收器至少有15年了。根據Holloway和美國陸軍指揮、控制、通信、計算機、網絡、情報、監視和偵察(C5ISR)中心無線電頻率通信部主任James Tucker Swindell的說法，里德堡傳感器項目的目標是開發一個鞋盒大小的接收器。

NIST在一個芯片級原子鐘上開發了里德堡傳感器，大小約為8個25美分的硬幣摞在一起，其中包括這個小原子鐘、蒸汽電池、激光器和電源。NIST團隊使用了兩種彩色激光器，其中一種能夠發射直徑為780納米的紅色不可見激光，另一種能夠發射藍色或綠色的可見耦合激光。當探測原子時，打開第二種彩色激光即可使原子進入里德堡態，探測激光是讀取原子響應的方式。耦合激光仍然是部署移動里德堡接收器的最大挑戰之一，目前美軍還沒有便攜式藍色或綠色激光器，無法提供足夠的能量來進行測量。

NIST團隊還與NASA合作開發天基傳感器，NASA噴氣推進實驗室的“冰凍圈”里德堡雷達項目建立在原子接收器技術的基礎上，可以遠程感知冰流、冰架演化、積雪積累和基巖測繪。該項目的目標是在幾年內將這些傳感器送入太空，然后用它來對地球甚至其他行星進行監測。
 
 
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