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里德堡原子傳感器實(shí)現(xiàn)多頻率微波精密探測 提高實(shí)時(shí)響應(yīng)范圍數(shù)倍
2022年07月19日 09:30:18
來源：化工儀器網(wǎng) 作者：羊舌木 點(diǎn)擊量：5265
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在基于里德堡原子的無線傳感上取得新進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)史保森、丁冬生課題組實(shí)現(xiàn)一種基于里德堡原子的微波頻率梳譜儀，在寬帶微波的探測領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。
【化工儀器網(wǎng) 項(xiàng)目成果】微波測量是對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)。微波測量在通信、導(dǎo)航、雷達(dá)、以及天文探測領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。里德堡原子具有較大電偶極矩，可以對微弱電場產(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，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題，比如目前可以實(shí)時(shí)接收的信號頻率范圍(瞬時(shí)帶寬)受限于讀出穩(wěn)態(tài)信號的時(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，中國科大郭光燦院士團(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，通過電磁誘導(dǎo)透明效應(yīng)成功檢測了相位調(diào)制的多頻微波場(頻分復(fù)用的二進(jìn)制相移鍵控信號，一種在數(shù)字通信中廣泛使用信號傳輸方式)，進(jìn)而將接收到的調(diào)制信號通過深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)了多頻微波信號的高保真解調(diào)，并進(jìn)一步檢驗(yàn)了實(shí)驗(yàn)方案針對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，通過利用不同主量子數(shù)的里德堡態(tài)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對不同中心頻率下具有1千赫茲調(diào)制帶寬信號的接收。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，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，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微波信號的響應(yīng)范圍，一定程度上彌補(bǔ)里德堡原子在微波探測中瞬時(shí)帶寬窄的不足，實(shí)現(xiàn)在更寬范圍內(nèi)對信號的絕對頻率測量，可以充分發(fā)揮里德堡原子對微波的大響應(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)用于微波通信和測量等領(lǐng)域。
相關(guān)成果日前發(fā)表于《應(yīng)用物理評論》。
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