DARPA寻求实现频谱传感的量子迁移

美国国防研究高级计划局（DARPA）今天（8月5日）宣布了入选“量子孔径”（QA）项目的研究团队，该项目旨在开发一种根本性的接收射频（RF）波形的新方法，以提高国防应用的灵敏度和频率灵活性。被选中的团队将由霍尼韦尔、诺斯罗普·格鲁曼、ColdQuanta和SRI国际领导。

“量子孔径”项目旨在开发射频天线或孔径，使用量子技术来改变射频频谱的访问方式。其目标是开发便携式和定向射频接收器，其灵敏度、带宽和动态范围明显高于目前任何经典的接收器。

据DARPA微系统技术办公室（MTO）负责“量子孔径”项目的项目经理约翰·伯克（（John Burke））介绍：“当前，商业无线基础设施、频谱使用的构造以及其他方面已经被最初由德国物理学家海因里希·赫兹开发的百年天线理论所决定。随着量子的引入，我们有能力用一套全新的规则取代现有的对天线技术的基本限制。‘量子孔径’旨在为我们获取和使用频谱的方式创造一个范式的转变。”

被选入该项目的研究团队将努力通过推进量子射频传感器的现有技术水平——里德伯（Rydberg）传感器来解决当今的天线限制。DARPA以前的“量子辅助传感和读出”（QuASAR）项目实现了利用高度激发的里德伯量子态来感知电子场的潜力。这些量子态具有较高的量子数（n）（在这种情况下，大约为100）。高量子态的电子在轨道上比基态原子的距离要远一万倍，这使得它们对电场高度敏感（实际上就像小型天线）。最近，美国陆军研究实验室（ARL）利用这种传感能力开发了一个超宽带无线电接收器（现在被称为里德伯传感器），进一步证明了该技术的潜力。

与传统的基于天线的接收器相比，里德伯传感器有几个优势。它们不受同样灵敏度挑战的困扰，主要是因为里德伯传感器不必与热噪声作斗争。此外，传统接收器的性能受天线的尺寸和形状的影响很大。里德伯传感器在接收射频频率波长方面没有这种尺寸限制。这种孔径形状和射频频率的解耦使里德伯传感器可以在很大的频率范围内进行编程（从MHz到THz）。

尽管有这些优势，但要实现里德伯传感器在相关国防应用中的潜力，仍有重大技术挑战必须克服。“量子孔径”项目的目的是解决这些挑战。研究人员将采用量子和电子机械系统工程来证明里德伯传感器作为便携式射频接收系统一部分的效用。该目标系统将能够定向接收低强度的调制射频信号，并在一个非常大的光谱范围内工作（从10MHz到40GHz，甚至更多）。这将使用户能够用一个天线看到大范围的频谱，特别是与军事应用有关的部分。研究人员还将努力开发一个传感器元件及其相关的电子器件，并将其放在一个一立方厘米的封装中，能够成功地在各种频率下运行。这将打破传统天线存在的频率范围和尺寸之间的权衡。此外，“量子孔径”传感器将利用激光而不是电缆进行布线，使其对高功率的影响更具弹性，并能容忍微波辐射。如果传感器在高功率校准器或发射器附近使用，这是一项关键能力。

“量子孔径”项目的最终目标是展示检测和处理一些常用波形（GPS、数字电视和一种跳频波形）的能力，以及开发能够利用里德伯接收器独特的射频传感特性的新型波形，用于未来的国防应用。

约翰·伯克表示：“最近的里德伯原子传感器的演示表明，有可能访问射频频谱的大部分，但‘量子孔径’的目标是通过不断连接这些演示的频谱，超越这些工作。我们正在从一个功能的简单演示到一个可以被编程的设备，几乎可以做任何事情，并且比经典接收器做得更好。这包括加快调整传感器的时间，提高对小信号的灵敏度，增强动态范围，并扩大与现代信号的兼容性。”

“量子孔径”项目预计将持续56个月，分为四个阶段。研究将在2021年秋季启动。

里德伯接收器和频谱分析仪在微波电路上方检测到广泛的现实世界的射频信号，包括AM广播、FM广播、Wi-Fi和蓝牙