里德堡原子傳感器實現多頻率微波精密探測 提高實時響應范圍數倍
【化工儀器網 項目成果】微波測量是對工作于微波波段的元器件、天線、饋線、電路、整機、系統、傳播媒質及鏈路的性能與參量的測量，與微波通信的科研、生產、施工、維修等工作密切相關。微波測量在通信、導航、雷達、以及天文探測領域發揮重要作用。里德堡原子具有較大電偶極矩，可以對微弱電場產生很強的響應，因此可以用里德堡原子作為微波傳感器。
里德堡原子是指原子中的一個電子被激發到主量子數很大的激發態原子。與基態原子相比，里德堡原子具有較大的原子半徑和電偶極矩，以及較長的原子壽命等特點，正是由于這些奇特的性質使里德堡原子研究一直是原子分子物理研究的重要內容之一。近年來，里德堡原子傳感研究取得重要進展，但仍存在一些亟待解決的問題，比如目前可以實時接收的信號頻率范圍(瞬時帶寬)受限于讀出穩態信號的時間，通常只有幾兆赫，嚴重影響該體系的實用化進程。
近年來，中國科大郭光燦院士團隊史保森、丁冬生領導的科研團隊利用里德堡原子體系，聚焦量子模擬和量子精密測量科學研究，已取得了重要進展。研究團隊基于室溫銣原子體系，利用里德堡原子作為微波天線及調制解調器，通過電磁誘導透明效應成功檢測了相位調制的多頻微波場(頻分復用的二進制相移鍵控信號，一種在數字通信中廣泛使用信號傳輸方式)，進而將接收到的調制信號通過深度學習神經網絡進行分析，實現了多頻微波信號的高保真解調，并進一步檢驗了實驗方案針對微波噪聲的高魯棒性。
相比于之前系統瞬時帶寬，目前可實現的實時響應范圍(125兆赫)提高了數倍，并且還有進一步提升的空間。此外，通過利用不同主量子數的里德堡態，系統實現了對不同中心頻率下具有1千赫茲調制帶寬信號的接收。該工作有效地解碼了一個含噪聲QR碼的FDM相移鍵控信號，準確率高達99.32%。研究成果表明，基于深度學習增強的里德堡微波接收器可允許一次直接解碼20路頻分復用(FDM)信號，不需要多個帶通濾波器和其他復雜電路。
該工作的創新之處在于利用微波頻率梳譜儀拓寬了里德堡原子對微波信號的響應范圍，一定程度上彌補里德堡原子在微波探測中瞬時帶寬窄的不足，實現在更寬范圍內對信號的絕對頻率測量，可以充分發揮里德堡原子對微波的大響應帶寬和高靈敏度的特性。此外，該方法也可有效接收相位信息，有望應用于微波通信和測量等領域。
相關成果日前發表于《應用物理評論》。
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