里德堡原子传感器实现多频率微波精密探测 提高实时响应范围数倍

　　【化工仪器网 项目成果】微波测量是对工作于微波波段的元器件、天线、馈线、电路、整机、系统、传播媒质及链路的性能与参量的测量，与微波通信的科研、生产、施工、维修等工作密切相关。微波测量在通信、导航、雷达、以及天文探测领域发挥重要作用。里德堡原子具有较大电偶极矩，可以对微弱电场产生很强的响应，因此可以用里德堡原子作为微波传感器。
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　　里德堡原子是指原子中的一个电子被激发到主量子数很大的激发态原子。与基态原子相比，里德堡原子具有较大的原子半径和电偶极矩，以及较长的原子寿命等特点，正是由于这些奇特的性质使里德堡原子研究一直是原子分子物理研究的重要内容之一。近年来，里德堡原子传感研究取得重要进展，但仍存在一些亟待解决的问题，比如目前可以实时接收的信号频率范围(瞬时带宽)受限于读出稳态信号的时间，通常只有几兆赫，严重影响该体系的实用化进程。
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　　近年来，中国科大郭光灿院士团队史保森、丁冬生领导的科研团队利用里德堡原子体系，聚焦量子模拟和量子精密测量科学研究，已取得了重要进展。研究团队基于室温铷原子体系，利用里德堡原子作为微波天线及调制解调器，通过电磁诱导透明效应成功检测了相位调制的多频微波场(频分复用的二进制相移键控信号，一种在数字通信中广泛使用信号传输方式)，进而将接收到的调制信号通过深度学习神经网络进行分析，实现了多频微波信号的高保真解调，并进一步检验了实验方案针对微波噪声的高鲁棒性。
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　　相比于之前系统瞬时带宽，目前可实现的实时响应范围(125兆赫)提高了数倍，并且还有进一步提升的空间。此外，通过利用不同主量子数的里德堡态，系统实现了对不同中心频率下具有1千赫兹调制带宽信号的接收。该工作有效地解码了一个含噪声QR码的FDM相移键控信号，准确率高达99.32%。研究成果表明，基于深度学习增强的里德堡微波接收器可允许一次直接解码20路频分复用(FDM)信号，不需要多个带通滤波器和其他复杂电路。
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　　该工作的创新之处在于利用微波频率梳谱仪拓宽了里德堡原子对微波信号的响应范围，一定程度上弥补里德堡原子在微波探测中瞬时带宽窄的不足，实现在更宽范围内对信号的绝对频率测量，可以充分发挥里德堡原子对微波的大响应带宽和高灵敏度的特性。此外，该方法也可有效接收相位信息，有望应用于微波通信和测量等领域。
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　　相关成果日前发表于《应用物理评论》。