美國陸軍科學家展示了一種新型量子傳感器，能夠測量無線電頻率電磁場的全三維方向，這一重要里程碑可能會重塑信號在戰場上的檢測方式。這項突破是在美國陸軍作戰能力發展指揮部（DEVCOM）陸軍研究實驗室的科學家們的努力下取得的。根據研究人員的説法，這種傳感器有望提高戰場情況意識，加強安全通信，並幫助士兵在複雜的戰場環境中做出更快、更明智的決策。陸軍研究實驗室的研究物理學家大衞·梅耶（David Meyer）表示：「我們在量子科學方面的工作旨在為士兵提供感知和理解周圍世界的新方法。」
他指出，「這項研究為在最具挑戰性的環境中，通過一個傳感器包檢測和精確定位廣泛頻率範圍的信號打開了大門。」
新型量子傳感器將提升戰場信號檢測能力
測量無線電波的三維方向新的傳感器基於瑞德堡原子，這些原子處於高度激發狀態，使其對電場極為敏感。研究人員描述了該設備如何不僅能確定電磁場強度，還能測量三維極化方向和傳播方向，稱為 k 向量。根據陸軍研究實驗室的説法，這是首次使用量子傳感器實現此類測量。傳統傳感器通常僅能一次測量電磁場的一個方向的強度，而陸軍研究實驗室開發的量子傳感器則能「看到」電磁場的方向和運動，提供完整的三維圖像。
儘管該傳感器僅幾釐米寬，但其能以約兩度的準確度確定來信號的方向，這使其成為在競爭環境中檢測和定位無線電頻率信號的高度靈活的平台。
為擁擠的頻譜而設計的小型傳感器與傳統天線相比，通常需要在物理上與檢測信號大小相當且通常限於窄頻範圍的陸軍研究實驗室傳感器，則不受信號大小的影響。它還能在整個無線電頻率範圍內運作。這一能力源自瑞德堡原子的寬頻特性，能夠從直流到太赫茲頻率運作。梅耶表示：「現代戰場是一個極為複雜的無線電頻率環境。隨著自動系統的普及，可能會有數百個不同的信號源。擁有一個覆蓋整個無線電頻率範圍並能測量這些場的三維方向的單一傳感器平台，代表了一種潛在的變革性能力，特別是在頻譜意識方面。」
量子傳感器的運作原理及其應用前景
基於多年量子研究的基礎，該傳感器通過使用一個充滿銣原子蒸氣的微型玻璃容器運作。研究人員通過激光照射這個容器，將原子置於瑞德堡狀態。當無線電波通過時，這些原子會以某種方式反應，揭示該場的強度、方向和三維運動。這項最新工作建立在陸軍研究實驗室先前開發的瑞德堡電表基礎上。於 2024 年，該團隊展示了其測量無線電頻率場極化並解碼該極化中編碼信息的能力。相關研究已發表在《物理評論應用》期刊上。
