戰(zhàn)場上，一旦釋放強電磁干擾信號，便會出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象：雷達屏幕一片“雪花”，通信耳機“吱吱”作響，導航系統(tǒng)迷失方向……

面對強電磁干擾，以傳統(tǒng)電子學為基礎的雷達、通信、導航等設備很可能無法正常工作，甚至永久失效。

如今，這一窘境將被改變。這主要歸功于一種叫作“原子無線電技術”的“黑科技”。

今天，讓我們揭開這一“黑科技”的神秘面紗，探索原子無線電技術是如何穿透電磁“迷霧”、看清復雜電磁世界的。

伴隨量子信息技術脫穎而出

當前，以量子計算、量子通信、量子探測為代表的量子信息技術發(fā)展迅猛。作為新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的前沿領域，量子信息技術為人們認知和調(diào)控微觀世界打開一扇“新窗口”，催生出諸多高精尖技術，具有重大科學意義和戰(zhàn)略價值。 ? 原子無線電技術，就是量子探測技術在電子信息領域具體應用的體現(xiàn)。它通過探測空間電磁場中原子的狀態(tài)變化，精確感知看不見、摸不著的空間電磁場信息。

? 原子無線電技術下的原子狀態(tài)，僅對某一頻率的電磁波作出響應，表現(xiàn)出很強的專一性。因此，原子無線電技術不受其他電磁干擾信號的影響，在復雜電磁環(huán)境下仍可發(fā)揮出應有水平。 ? 2012年，美國俄克拉荷馬大學的研究團隊，首次在室溫下使用激光操控“里德堡原子”，實現(xiàn)了電場強度的測量，靈敏度比傳統(tǒng)微波電場計高了近100倍。 ? 這一巨大優(yōu)勢，徹底顛覆了以電子學為基礎的傳統(tǒng)電磁信息感知體制，標志著原子無線電技術的誕生。 ? 自此，原子無線電技術步入了發(fā)展的“快車道”。近10年來，研究人員運用復雜的光譜技術，實現(xiàn)了原子無線電技術靈敏度大幅提升。他們通過改進實驗系統(tǒng)，實現(xiàn)了對空間電磁場頻率、極化、相位的測量。當前，科研人員初步展開了原子無線電技術在雷達、通信、成像、計量等傳統(tǒng)電子信息領域的應用研究。 ? ? ?

精確感知讓信息“盡收眼底”

傳統(tǒng)電磁信息感知體制，以電子學為基礎，噪聲大，不夠靈敏。原子無線電技術的出現(xiàn)，使這一體制實現(xiàn)了跨越式升級。該技術能通過測量原子的量子狀態(tài)，從而獲得空間電磁場信息。

——以原子為“媒”。眾所周知，原子是構成物質(zhì)的最基本單元，由原子核和核外分層排布的電子組成，核外電子就像地球一樣圍繞原子核這個“太陽”進行“公轉(zhuǎn)”。不同的是，電子的運動軌道不像地球那樣一成不變，它可吸收能量“跳”到半徑更大的軌道上，甚至在不同半徑的軌道上“跳來跳去”。這一現(xiàn)象被稱為“能級躍遷”，核外電子處于較大軌道半徑上的原子，被稱為上述的“里德堡原子”。

原子核外電子的“跳”變軌道具有多樣性，軌道間隔所對應的頻率覆蓋范圍很廣，從幾赫茲到幾太赫茲不等。當外界電磁場頻率與軌道間隔所對應頻率相同時，就會產(chǎn)生“同頻共振”，使“里德堡原子”的量子狀態(tài)發(fā)生變化。通過測量“里德堡原子”的量子狀態(tài)，即可獲得空間電磁場的各種信息。

——以光子為“尺”。光學頻率的測量，是世界上公認的目前所能測量物理量中最為精確的測量方式。它就好比一把尺子，能像測量長度一樣精確獲取包括時間在內(nèi)的各種物理量。

在原子無線電技術下，使用激光照射原子，原子吸收激光能量后，原子核外電子“跳”變到更大的軌道半徑上，成為“里德堡原子”。當空間中存在電磁場時，“同頻共振”會使“里德堡原子”的量子狀態(tài)發(fā)生變化，從而改變原子對激光的吸收性質(zhì)。通過測量激光穿過原子后透射激光的光譜信息，即可間接獲取空間電磁場的各種信息。

由此可見，原子無線電技術，可將空間電磁場信息測量轉(zhuǎn)化為對光學頻率的精準測量，具有極高準確度。

在軍事領域應用前景廣闊

原子無線電技術，具有高精確度、高靈敏度、超寬帶、無需校準以及抗干擾、抗毀傷能力強等諸多優(yōu)點，在電子信息系統(tǒng)中及各類武器作戰(zhàn)平臺上“大有作為”。

可以說，它是下一代雷達、通信、導航等設備的核心關鍵技術，在提升作戰(zhàn)能力等方面應用前景廣闊。

——提升對弱小目標的探測能力。傳統(tǒng)的電子學電磁信息感知技術，利用電磁波改變金屬中自由電子運動狀態(tài)、產(chǎn)生電流的方式，來獲取電磁場信息。然而，金屬中的自由電子并不“自由”，它會在金屬中進行隨機熱運動，產(chǎn)生的熱噪聲會導致提取信息不準確，且不能及時對微弱電磁場作出響應，金屬材料也會對待測場產(chǎn)生干擾。即使在測量前進行校準，也無法精準快速測量電磁場。原子無線電技術使用光學手段進行測量，能克服自由電子熱噪聲影響。即便在極弱的電磁場作用下，也會產(chǎn)生“同頻共振”，具有超高靈敏度，特別適用于對隱形飛機、無人機等弱小目標的遠距離探測。

——提升與武器裝備的兼容能力。傳統(tǒng)的無線電接收，通常需多個天線、放大器和其他組件接收信號，單個天線無法實現(xiàn)寬頻譜信號接收。同時，頻率越低，所需天線尺寸就越大，這極大限制了其在武器裝備的應用。原子無線電技術在實際系統(tǒng)應用中，僅使用一個毫米甚至微米量級的原子氣室，即可實現(xiàn)全頻段電磁信息感知，突破了傳統(tǒng)電磁信號接收天線尺寸的限制。小型化、集成化的巨大優(yōu)勢，使該技術可在單兵、單車、單機等各類作戰(zhàn)平臺上大顯身手。

——提升裝備在復雜電磁環(huán)境下的生存能力。傳統(tǒng)電子學電磁信息感知技術，在強電磁輻射情況下，接收機易損毀。在原子無線電子技術下，原子體系可被重復利用，在強電磁輻射情況下仍可正常工作，能有效抵抗電磁毀傷。另外，原子體系感知電磁場的方式靈活、隱蔽，不像傳統(tǒng)天線會強烈吸收電磁波能量，造成天線位置處的電磁場發(fā)生較大變化而暴露目標。因此，相關設備在戰(zhàn)場上能頑強地生存下來。

隨著量子信息技術的快速發(fā)展，在未來戰(zhàn)場上，原子無線電技術發(fā)揮出的作戰(zhàn)效能將會遠超我們的想象。

編輯：黃飛

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