美国公司开发新型量子射频系统

　　虽然大多数人将量子技术与未来计算机联系起来，但美国Infleqtion公司却认为，第一个真正应用于现实世界的重大量子突破可能会出现在射频（RF）、传感领域——这项技术是GPS、雷达、无线通信、飞机导航和军事监视背后的技术。

　　该公司最近发布了一种基于原子的新型无线电信号探测方法，该方法最终可能取代传统天线系统的部分组件。他们将这种方法命名为量子频谱。

　　有趣的是，这项新方法的出现正值全球无线电环境日益混乱之际。Infleqtion公司在新闻稿中表示：“各国政府都依赖射频信号进行导航、通信、探测威胁、运输货物、管理空域以及运行关键基础设施。如今，这些信号更容易被干扰、欺骗、隐藏和压制。”

　　传统的射频系统依赖于天线和电子硬件，而这些硬件通常针对有限的频率范围进行优化，迫使工程师为不同的频段构建独立的系统。这带来了尺寸、功耗和可靠性方面的挑战，尤其是在竞争激烈的环境中。Infleqtion公司声称，其新方法可以利用原子本身作为传感器，从而绕过许多此类限制。

　　将激发态原子转化为无线电探测器

　　该系统的核心是里德堡原子，即利用激光将电子激发到极高激发态的原子。在这种激发态下，原子对电磁场（包括无线电波）异常敏感。

　　该系统并非依赖传统的金属天线来捕获信号，而是利用激光来监测入射无线电波对原子的扰动。这些扰动随后可以被转化为有关信号频率、方向和强度的信息。

　　这个想法并非全新。物理学家多年来一直在实验室中研究基于原子的射频传感，因为里德堡原子能够与非常宽频率范围的电磁波发生天然的相互作用。

　　然而，将这种量子现象转化为可在受控实验室环境之外使用的坚固耐用的硬件却困难重重。量子系统对热、噪声和环境干扰极其敏感。

　　制造一款能够经受实际部署考验的便携式接收器，尤其是在军事环境中，一直是工程领域的一项重大挑战。

　　据 Infleqtion 公司的研究人员称，其量子频谱平台采用三步量子传感流程，取代了传统的射频前端硬件。首先，激光将原子激发到里德堡态。然后，入射无线电波直接与这些原子相互作用。最后，光学系统读取微小的原子变化，并将其转换为可用的射频信息。由于原子本身充当了传感介质，理论上，同一接收器无需多个天线系统即可在从赫兹到太赫兹的巨大频率范围内工作。

　　这种宽带能力是其最重要的优势之一，因为传统接收器在同时监测频谱的多个部分时往往力不从心。

　　理论上，基于原子的系统可以使用单个孔径检测宽广频率范围内的信号。“天线失效的地方，原子却可以。”研究人员补充道。Infleqtion 公司团队认为，这可以更早地检测到威胁，在受干扰的环境中表现更佳，并能更好地识别隐藏或欺骗的信号。

　　从军事实地测试到人工智能调谐量子接收器

　　该公司已在美国、英国和澳大利亚的多个政府支持项目中测试这项技术。研究人员表示：“我们正在制造原型机、进行实地试验，并加固这些系统，使其能够实际部署。”

　　在美国，研究人员正与美国陆军研究实验室合作开展一个名为“稳健集成量子电磁接收器”（RIQER）的项目。该项目的目标是构建一个可移动的量子射频系统，供士兵在GPS信号不可用或遭受攻击的环境中使用。

　　在英国，该公司正牵头开展“量子测向”（QuDiFi）项目，旨在确定无线电信号的确切来源方向。这可以改进远程导航和信号跟踪，尤其是在传统天线体积过大的低频段。

　　在澳大利亚，Infleqtion公司正在开发其量子优化宽带里德堡原子（QOBRA）接收器，该接收器将量子传感与人工智能算法相结合，可自动调谐系统，从而提高灵敏度和带宽。

　　该公司还在努力解决量子技术面临的最大难题之一：体积。许多量子系统依赖于笨重的激光器和光学硬件，这使得它们在实验室之外难以实际应用。

　　Infleqtion公司表示，集成光子学技术可以显著缩小硬件体积。据该公司称，目前量子系统超过90%的体积和成本都来自激光器和光子器件。

　　从无GPS导航到电子战

　　尽管“量子光谱”技术宣称强大，但仍存在一些重要问题。该公司展示了原型机和政府支持的项目，但尚未公开证明基于原子的接收器在实际应用中始终优于传统的射频系统。

　　此外，科学家们对里德堡原子传感技术的研究已持续多年，因此，最新的声明与其说是一项全新的科学突破，不如说更像是一次商业化推广。

　　未来还存在一些技术难题。量子传感器灵敏度极高，但由于振动、高温、环境噪声以及激光系统的复杂性，在实验室外保持其稳定性仍然十分困难。

　　因此，目前“量子光谱”仍是一项雄心勃勃的早期技术，但毫无疑问，如果成功，它将产生重大影响。潜在应用包括无GPS导航、弹性通信、无人机探测、电子战和下一代通信。