Rydberg原子实现新突破,量子光源前途光明

据报道，量子传感技术有望彻底改变某些军事领域，无论是提供高度精确的定位数据，还是探测全球海洋潜艇。在此篇文章中，处于量子传感技术前沿的美国陆军科学家探讨了未来将如何使用量子传感技术，并讲解了目前为止已经取得的显著成果。

目前定位、计时和导航功能主要依赖于利用量子力学的原子钟，但在未来，只需量子传感技术就可提供惯性导航，从而减少对干扰GPS（全球定位系统）信号的依赖

量子力学彻底改变了科学，探索了无法用经典物理定律解释的现象。这门学科诞生于20世纪初对光和热本质的研究，探索了原子、光子和亚原子粒子的行为，并最终演变为探索整个宇宙的构成。

这项研究已为众多技术的发展提供了支持，包括激光技术、磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）、晶体管和微处理器等。然而，这些并没有充分利用量子力学所体现的“奇异性”，其中包括物质波二象性（光既是波又是粒子），以及量子叠加原理（原子在观察之前处于两种状态）。还有一种现象是“量子纠缠”，即当其中两个或多个量子比特（quantum bit，缩写qubit）处于纠缠态时，对其中一个量子比特做任何改变时，另一个会立刻做出相应改变。

这些通常被称为量子的“反直觉”特性，这也是量子传感技术的关键。

“量子传感技术能够利用一些反直觉的自然特性来测量时间、磁场、重力或加速度等。”美国陆军研究实验室（US Army Research Laboratory）的科学家Paul Kunz解释道，“例如，像那种落地式大摆钟可能会通过振荡钟摆来测量时间，但是像铯（Cs）原子这样的小粒子会产生电子，然后这些电子可以以特定的频率来控制振动。”

是时候做出改变了！

铯可用于原子钟内，它为国际单位制（International System of Units）中“秒”的定义提供了主要标准。同时，铷（rubidium，Rb）也可用于高精度原子钟内，虽然大家一致认为它不如铯精确，但由于它价格低廉，依然被市场广泛采用。

“不管是铯原子还是铷原子，它们都不仅非常精确，而且频率也相同。”Kunz说道，“这些反直觉的特性在计时和定位方面应用很广，比如GPS。同时，它们还用于可以探测潜艇或弹药的磁力计中。”

量子传感器也可以直接测量加速度或旋转速率，从而确定拒绝GPS信号的位置，但目前来说，这些仍然处在研究阶段。

“最终量子传感器将利用量子力学中被称为‘纠缠’的特性（许多粒子或光子都以这样的方式相互关联），从而大大增强传感器的信噪比。”他补充道，“这一独特的特性终将为我们带来意想不到的功能。”

据Kunz表示，在科学前沿的探索中，“量子纠缠”研究变得尤为重要，而此领域目前正是一块“富饶和肥沃的土壤”，有待人们去发现。持续的研究工作表明，“量子纠缠”如何在“绝对安全”的环境中（因为量子比特系统无法在不从根本上干扰原始量子位元的情况下被复制，又称为不可克隆原理）为量子网络提供传输量子信息的能力，以及如何在传感和计量领域有所应用。

美国宇航局（NASA）在2018年12月宣布，它已成功建造并向大家展示了一款能够获得高灵敏度和精确重力测量的量子传感器原型（图片来源：美国宇航局）

量子传感可以用来探测水下金属物体，如地雷或潜艇，现在美国和中国都在竞相开发更精确的反潜传感器（图片来源：美国海军）

Rydberg原子实现新突破

2018年10月，美国陆军研究实验室对外公布，将利用里德伯原子（Rydberg atom，一种被激发到高能级的原子），开展电场传感器和通信接收器的研发工作。

“在此次利用Rydberg原子进行电场传感器的研究中，我们最初感兴趣的是Rydberg原子可作为量子中继器（quantum repeater）远距离传输量子信息的前景，但在不断研发的过程中，我们发现了它们作为传输传统经典信息传感器的潜力。因此，我们立即开展了实验和调查，并对最终的结果以及将可能带来的新突破感到兴奋不已。”Kunz说道。

“这同时也说明了我们的Rydberg传感器和当今市面上的天线/接收器技术之间存在着巨大差异。”

Rydberg接收器有几个优点，包括能够在从DC到THZ（0到1,000,000,000,000,000Hz）的任何频率上工作、与光学技术自然地相结合，以及在不吸收能量的情况下检测电磁场。Kunz认为，传统天线在未来很长一段时间内仍会使用，“但我们这种独特的基于原子的天线在某些情况下可能会被用来弥补传统天线的弱势，甚至作为一种替代方案”。

“由于基于原子的天线研究具有前沿性，这些技术将会随着时间的推移而不断发展、改进和完善，未来也会以更强大和更经济的方式进行设计。”Kunz解释说道，“最初，只有真正需要这种性能水平并有能力开发它们的客户才会采用，换言之政府和国防机构才具有这种需求。”

“但我们可以把它与GPS的发展相类比，随着系统和技术变得更加完善和更加经济，它们将会渗透到整个社会，并最终改变我们每天的运作方式。”

2018年10月，美国陆军研究实验室对外公布，将利用里德伯原子（Rydberg atom，一种被激发到高能级的原子），开展电场传感器和通信接收器的工作（图片来源：美国陆军研究实验室）

量子光源前途光明

Kunz团队的另一研究领域是量子光源，这不同于其它研究，因为它主要着眼于可用于许多潜在技术的“非常基本的构件模块”。目前预想中的应用程序与量子通信（安全通信）、量子模拟和量子计算有关。

“同样，这个领域也是在科学研究的最前沿。”Kunz说道，“我们需要理解光学电路的几何形状（拓扑结构）如何影响它们在量子力学水平上的操作，即一次只有一个光子。最吸引人的是，我们可以以一种鲁棒性的设计方法来对抗其缺陷。”

对于像Kunz这样的科学家来说，传感器的全面优化，无论是军用还是民用，都需要将灵敏度和信噪比提高到自然规律规定到的理论最大值。

“随着激光技术的进步以及我们控制和探测原子的能力，我们现在能够在更多的系统中以一种稳健和经济的方式来实现最佳性能。”Kunz说道，“这就是为什么我们开始看到越来越多的这类器件（如量子传感器），从科学实验室投入到实际应用中，供军事和民用市场使用。”

Kunz表示，虽然预测未来的风险是众所周知的，而且每种传感器或技术的开发时间跨度都有很大不同，但是我们已经开始看到量子技术如何能够提供戏剧性的结果，最终改善国防军队的装备。“量子计算的科学步伐正在加快，并将持续加快。”Kunz总结道。