据外媒报道，美国陆军（US Army）的科学家展示了一种新型量子传感器，能够测量射频电磁场的完整三维（3D）方向，这一成果有望改变战场信号探测方式。
研究人员称，这种传感器可以提高态势感知能力，增强安全通信，并帮助士兵在复杂的战场环境中更快、更明智地做出决策。
图片来源：US Army
美国陆军研究实验室（Army Research Laboratory，ARL）研究物理学家David Meyer表示：“我们在量子科学领域的研究，旨在为士兵提供感知和理解周围世界的新方法。这项研究使在单一传感组件中探测和精确定位宽频率范围内的信号成为可能，即使在最严苛的环境中也能实现。”
三维无线电波测量
这种新型传感器基于里德伯原子（Rydberg atoms），这是一种处于高度激发态的原子，对电场极其敏感。
研究人员描述该装置不仅能测定电磁场强度，还能确定其三维偏振方向和传播方向（即k矢量）。
据ARL称，这是首次使用量子传感器实现此类测量。
传统传感器通常一次只能测量单一方向上的电磁场强度。然而，ARL开发的量子传感器可以“看到”电磁场的方向和运动，从而提供完整的三维图像。
尽管尺寸只有几厘米，但该传感器仍能以约两度的精度确定入射信号的方向。这使其成为一个高度灵活的平台，用于在激烈的环境中探测和定位射频信号。
用于拥挤频谱的微型传感器
传统天线通常需要在物理尺寸上与所探测的信号相当，并且通常仅限于狭窄的频率范围。与传统天线不同，ARL的传感器不受信号大小的影响。它还可以在整个射频频谱范围内工作。
这种能力源于里德伯原子（Rydberg atoms）的宽带特性，它可以在从直流到太赫兹的频率范围内工作。
Meyer说到：“现代战场是一个极其复杂的射频环境。随着自主系统的激增，可能会出现数百个不同的信号源。拥有能够覆盖整个射频频谱、并能测量这些场的三维方向的单一传感器平台，代表着一种潜在的变革性能力，尤其是在频谱感知方面。”
基于多年的量子研究
该传感器的工作原理是：使用一个装满铷原子蒸气的微型玻璃池，研究人员用激光照射该玻璃池，使原子跃迁到里德伯态。当无线电波穿过玻璃池时，原子会做出响应，从而揭示场的强度、方向和三维运动。
这项最新研究建立在ARL早期开发的里德伯静电计的基础上。
相关研究成果发表于期刊《Physical Review Applied》。
