DARPA研究量子技术来改变射频频谱的访问方式

华盛顿特区 (SPX) 2021 年 8 月 5 日

DARPA 已宣布选择了量子孔径 (Quantum Apertures，QA) 计划的研究团队，该计划旨在开发一种全新的射频 (RF) 波形接收方式，以提高国防应用的灵敏度和频率捷变。选定的团队将由霍尼韦尔、诺斯罗普格鲁曼、ColdQuanta 和 SRI International 领导。

QA 计划旨在开发射频天线或孔径，使用量子技术来改变射频频谱的访问方式。目标是开发具有比当今任何经典接收器更高的灵敏度、带宽和动态范围的便携式和定向 RF 接收器。

“今天，商业无线基础设施、频谱使用的构造以及其他方面都受到了一百年的天线理论的支配，天线理论最初是由德国物理学家海因里希赫兹开发的，”领导 QA 项目的项目经理约翰伯克说。“随着量子的引入，我们有能力用一套全新的规则取代对天线技术施加的现有基本限制。Quantum Apertures 寻求在我们访问和使用频谱的方式上创造范式转变。”

被选中加入该计划的研究团队将通过推进量子射频传感器（里德堡传感器）的当前最先进技术，努力解决当今天线的局限性。DARPA 之前的量子辅助传感和读出 (QuASAR) 计划实现了使用高度激发的里德堡量子态来感知电子场的潜力。

这些量子态具有很高的量子数 (n)（在这种情况下，大约为 100）。高 n 态的电子轨道距离质子比基态原子更远约 10,000 倍，这使它们对电场高度敏感 - 有效地像小天线一样起作用。最近，美国陆军研究实验室 (ARL) 利用这种传感能力开发了一种超宽带无线电接收器——现在称为里德堡传感器——进一步展示了该技术的潜力。

与传统的基于天线的接收器相比，Ryberg 传感器有几个优点。它们不会受到同样的灵敏度挑战的困扰，主要是因为 Ryberg 传感器不必与热噪声抗衡。此外，传统接收器的性能受天线尺寸和形状的影响很大。Ryberg 传感器在接收到的 RF 频率波长方面没有这种尺寸限制。孔径形状和 RF 频率的这种去耦使里德堡传感器能够在从 MHz 到 THz 的大频率范围内进行编程。

尽管有这些优势，但要实现里德堡传感器在相关国防应用中的潜力，仍然必须克服重大的技术挑战。QA计划旨在解决这些挑战。研究人员将采用量子和机电系统工程来展示里德堡传感器作为便携式射频接收器系统一部分的实用性。目标系统将能够定向接收低强度、调制的射频信号，并在非常大的频谱范围内运行——从 10 MHz 到 40 GHz 或更多。

这将使用户能够用一个天线看到更宽的频谱，特别是与军事应用相关的部分。研究人员还将努力开发一种可在各种频率下成功运行的 1 立方厘米封装的传感器元件及其相关电子设备。

这将打破传统天线存在的频率范围和尺寸之间的权衡。此外，QA 传感器将利用激光代替电缆进行布线，使其对高功率效应更具弹性并耐受微波辐射。如果传感器在高功率校准器或发射器附近使用，这是一项关键功能。

该计划的最终目标是展示检测和处理一些常用波形（GPS、数字电视和跳频波形）的能力，以及开发可以利用里德堡接收器独特的射频传感特性的新型波形用于未来的国防应用。

“最近的里德堡原子传感器演示表明，可以访问大部分射频频谱，但 QA 的目标是通过在整个频谱上不断连接这些演示来超越这些努力，”伯克指出。“我们正在从一个功能的简单演示转变为一种设备，该设备可以通过编程来完成几乎任何事情，并且大部分功能都比传统接收器做得更好。这包括加快调整传感器的时间，提高对小信号的灵敏度，增强动态范围并扩大与现代信号的兼容性。”

Quantum Apertures 计划预计将运行 56 个月，分为四个阶段。研究将于 2021 年秋季开始。