里德堡原子傳感器實(shí)現(xiàn)多頻率微波精密探測(cè) 提高實(shí)時(shí)響應(yīng)范圍數(shù)倍

2022-07-19 10:50:13來(lái)源：化工儀器網(wǎng) 閱讀量：127 評(píng)論

　　微波測(cè)量是對(duì)工作于微波波段的元器件、天線、饋線、電路、整機(jī)、系統(tǒng)、傳播媒質(zhì)及鏈路的性能與參量的測(cè)量，與微波通信的科研、生產(chǎn)、施工、維修等工作密切相關(guān)。微波測(cè)量在通信、導(dǎo)航、雷達(dá)、以及天文探測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。里德堡原子具有較大電偶極矩，可以對(duì)微弱電場(chǎng)產(chǎn)生很強(qiáng)的響應(yīng)，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(gè)電子被激發(fā)到主量子數(shù)很大的激發(fā)態(tài)原子。與基態(tài)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(zhǎng)的原子壽命等特點(diǎn)，正是由于這些奇特的性質(zhì)使里德堡原子研究一直是原子分子物理研究的重要內(nèi)容之一。近年來(lái)，里德堡原子傳感研究取得重要進(jìn)展，但仍存在一些亟待解決的問(wèn)題，比如目前可以實(shí)時(shí)接收的信號(hào)頻率范圍(瞬時(shí)帶寬)受限于讀出穩(wěn)態(tài)信號(hào)的時(shí)間，通常只有幾兆赫，嚴(yán)重影響該體系的實(shí)用化進(jìn)程。

　　近年來(lái)，中國(guó)科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)史保森、丁冬生領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)利用里德堡原子體系，聚焦量子模擬和量子精密測(cè)量科學(xué)研究，已取得了重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)基于室溫銣原子體系，利用里德堡原子作為微波天線及調(diào)制解調(diào)器，通過(guò)電磁誘導(dǎo)透明效應(yīng)成功檢測(cè)了相位調(diào)制的多頻微波場(chǎng)(頻分復(fù)用的二進(jìn)制相移鍵控信號(hào)，一種在數(shù)字通信中廣泛使用信號(hào)傳輸方式)，進(jìn)而將接收到的調(diào)制信號(hào)通過(guò)深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)了多頻微波信號(hào)的高保真解調(diào)，并進(jìn)一步檢驗(yàn)了實(shí)驗(yàn)方案針對(duì)微波噪聲的高魯棒性。

　　相比于之前系統(tǒng)瞬時(shí)帶寬，目前可實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)響應(yīng)范圍(125兆赫)提高了數(shù)倍，并且還有進(jìn)一步提升的空間。此外，通過(guò)利用不同主量子數(shù)的里德堡態(tài)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同中心頻率下具有1千赫茲調(diào)制帶寬信號(hào)的接收。該工作有效地解碼了一個(gè)含噪聲QR碼的FDM相移鍵控信號(hào)，準(zhǔn)確率高達(dá)99.32%。研究成果表明，基于深度學(xué)習(xí)增強(qiáng)的里德堡微波接收器可允許一次直接解碼20路頻分復(fù)用(FDM)信號(hào)，不需要多個(gè)帶通濾波器和其他復(fù)雜電路。

　　該工作的創(chuàng)新之處在于利用微波頻率梳譜儀拓寬了里德堡原子對(duì)微波信號(hào)的響應(yīng)范圍，一定程度上彌補(bǔ)里德堡原子在微波探測(cè)中瞬時(shí)帶寬窄的不足，實(shí)現(xiàn)在更寬范圍內(nèi)對(duì)信號(hào)的絕對(duì)頻率測(cè)量，可以充分發(fā)揮里德堡原子對(duì)微波的大響應(yīng)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(yīng)用于微波通信和測(cè)量等領(lǐng)域。

　　相關(guān)成果日前發(fā)表于《應(yīng)用物理評(píng)論》。

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