应用前景广阔的原子无线电技术

原子无线电技术原理概念图

战场上，一旦释放强电磁干扰信号，便会出现这样的现象：雷达屏幕一片“雪花”，通信耳机“吱吱”作响，导航系统迷失方向……

面对强电磁干扰，以传统电子学为基础的雷达、通信、导航等设备很可能无法正常工作，甚至永久失效。

如今，这一窘境将被改变。这主要归功于一种叫作“原子无线电技术”的“黑科技”。

今天，让我们揭开这一“黑科技”的神秘面纱，探索原子无线电技术是如何穿透电磁“迷雾”、看清复杂电磁世界的。

伴随量子信息技术脱颖而出

当前，以量子计算、量子通信、量子探测为代表的量子信息技术发展迅猛。作为新一轮科技革命和产业变革的前沿领域，量子信息技术为人们认知和调控微观世界打开一扇“新窗口”，催生出诸多高精尖技术，具有重大科学意义和战略价值。

原子无线电技术，就是量子探测技术在电子信息领域具体应用的体现。它通过探测空间电磁场中原子的状态变化，精确感知看不见、摸不着的空间电磁场信息。

原子无线电技术下的原子状态，仅对某一频率的电磁波作出响应，表现出很强的专一性。因此，原子无线电技术不受其他电磁干扰信号的影响，在复杂电磁环境下仍可发挥出应有水平。

2012年，美国俄克拉荷马大学的研究团队，首次在室温下使用激光操控“里德堡原子”，实现了电场强度的测量，灵敏度比传统微波电场计高了近100倍。

这一巨大优势，彻底颠覆了以电子学为基础的传统电磁信息感知体制，标志着原子无线电技术的诞生。

自此，原子无线电技术步入了发展的“快车道”。近10年来，研究人员运用复杂的光谱技术，实现了原子无线电技术灵敏度大幅提升。他们通过改进实验系统，实现了对空间电磁场频率、极化、相位的测量。当前，科研人员初步展开了原子无线电技术在雷达、通信、成像、计量等传统电子信息领域的应用研究。

精确感知让信息“尽收眼底”

传统电磁信息感知体制，以电子学为基础，噪声大，不够灵敏。原子无线电技术的出现，使这一体制实现了跨越式升级。该技术能通过测量原子的量子状态，从而获得空间电磁场信息。　　

——以原子为“媒”。众所周知，原子是构成物质的最基本单元，由原子核和核外分层排布的电子组成，核外电子就像地球一样围绕原子核这个“太阳”进行“公转”。不同的是，电子的运动轨道不像地球那样一成不变，它可吸收能量“跳”到半径更大的轨道上，甚至在不同半径的轨道上“跳来跳去”。这一现象被称为“能级跃迁”，核外电子处于较大轨道半径上的原子，被称为上述的“里德堡原子”。

原子核外电子的“跳”变轨道具有多样性，轨道间隔所对应的频率覆盖范围很广，从几赫兹到几太赫兹不等。当外界电磁场频率与轨道间隔所对应频率相同时，就会产生“同频共振”，使“里德堡原子”的量子状态发生变化。通过测量“里德堡原子”的量子状态，即可获得空间电磁场的各种信息。　　

——以光子为“尺”。光学频率的测量，是世界上公认的目前所能测量物理量中最为精确的测量方式。它就好比一把尺子，能像测量长度一样精确获取包括时间在内的各种物理量。

在原子无线电技术下，使用激光照射原子，原子吸收激光能量后，原子核外电子“跳”变到更大的轨道半径上，成为“里德堡原子”。当空间中存在电磁场时，“同频共振”会使“里德堡原子”的量子状态发生变化，从而改变原子对激光的吸收性质。通过测量激光穿过原子后透射激光的光谱信息，即可间接获取空间电磁场的各种信息。

由此可见，原子无线电技术，可将空间电磁场信息测量转化为对光学频率的精准测量，具有极高准确度。

在军事领域应用前景广阔

原子无线电技术，具有高精确度、高灵敏度、超宽带、无需校准以及抗干扰、抗毁伤能力强等诸多优点，在电子信息系统中及各类武器作战平台上“大有作为”。

可以说，它是下一代雷达、通信、导航等设备的核心关键技术，在提升作战能力等方面应用前景广阔。　　

——提升对弱小目标的探测能力。传统的电子学电磁信息感知技术，利用电磁波改变金属中自由电子运动状态、产生电流的方式，来获取电磁场信息。然而，金属中的自由电子并不“自由”，它会在金属中进行随机热运动，产生的热噪声会导致提取信息不准确，且不能及时对微弱电磁场作出响应，金属材料也会对待测场产生干扰。即使在测量前进行校准，也无法精准快速测量电磁场。原子无线电技术使用光学手段进行测量，能克服自由电子热噪声影响。即便在极弱的电磁场作用下，也会产生“同频共振”，具有超高灵敏度，特别适用于对隐形飞机、无人机等弱小目标的远距离探测。

　　——提升与武器装备的兼容能力。传统的无线电接收，通常需多个天线、放大器和其他组件接收信号，单个天线无法实现宽频谱信号接收。同时，频率越低，所需天线尺寸就越大，这极大限制了其在武器装备的应用。原子无线电技术在实际系统应用中，仅使用一个毫米甚至微米量级的原子气室，即可实现全频段电磁信息感知，突破了传统电磁信号接收天线尺寸的限制。小型化、集成化的巨大优势，使该技术可在单兵、单车、单机等各类作战平台上大显身手。

　　——提升装备在复杂电磁环境下的生存能力。传统电子学电磁信息感知技术，在强电磁辐射情况下，接收机易损毁。在原子无线电子技术下，原子体系可被重复利用，在强电磁辐射情况下仍可正常工作，能有效抵抗电磁毁伤。另外，原子体系感知电磁场的方式灵活、隐蔽，不像传统天线会强烈吸收电磁波能量，造成天线位置处的电磁场发生较大变化而暴露目标。因此，相关设备在战场上能顽强地生存下来。

　　随着量子信息技术的快速发展，在未来战场上，原子无线电技术发挥出的作战效能将会远超我们的想象。

来源：解放军报  安强、杨柳、方姝阳