DARPA 已宣布選擇了量子孔徑 （Quantum Apertures，QA） 計(jì)劃的研究團(tuán)隊(duì)，該計(jì)劃旨在開發(fā)一種全新的射頻 （RF） 波形接收方式，以提高國防應(yīng)用的靈敏度和頻率捷變。選定的團(tuán)隊(duì)將由霍尼韋爾、諾斯羅普格魯曼、ColdQuanta 和 SRI International 領(lǐng)導(dǎo)。
QA 計(jì)劃旨在開發(fā)射頻天線或孔徑，使用量子技術(shù)來改變射頻頻譜的訪問方式。目標(biāo)是開發(fā)具有比當(dāng)今任何經(jīng)典接收器更高的靈敏度、帶寬和動(dòng)態(tài)范圍的便攜式和定向 RF 接收器。
“今天，商業(yè)無線基礎(chǔ)設(shè)施、頻譜使用的構(gòu)造以及其他方面都受到了一百年的天線理論的支配，天線理論最初是由德國物理學(xué)家海因里希赫茲開發(fā)的，”領(lǐng)導(dǎo) QA 項(xiàng)目的項(xiàng)目經(jīng)理約翰伯克說。“隨著量子的引入，我們有能力用一套全新的規(guī)則取代對(duì)天線技術(shù)施加的現(xiàn)有基本限制。Quantum Apertures 尋求在我們?cè)L問和使用頻譜的方式上創(chuàng)造范式轉(zhuǎn)變。”
被選中加入該計(jì)劃的研究團(tuán)隊(duì)將通過推進(jìn)量子射頻傳感器（里德堡傳感器）的當(dāng)前最先進(jìn)技術(shù)，努力解決當(dāng)今天線的局限性。DARPA 之前的量子輔助傳感和讀出 （QuASAR） 計(jì)劃實(shí)現(xiàn)了使用高度激發(fā)的里德堡量子態(tài)來感知電子場(chǎng)的潛力。
這些量子態(tài)具有很高的量子數(shù) （n）（在這種情況下，大約為 100）。高 n 態(tài)的電子軌道距離質(zhì)子比基態(tài)原子更遠(yuǎn)約 10,000 倍，這使它們對(duì)電場(chǎng)高度敏感 - 有效地像小天線一樣起作用。最近，美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室 （ARL） 利用這種傳感能力開發(fā)了一種超寬帶無線電接收器——現(xiàn)在稱為里德堡傳感器——進(jìn)一步展示了該技術(shù)的潛力。
與傳統(tǒng)的基于天線的接收器相比，Ryberg 傳感器有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。它們不會(huì)受到同樣的靈敏度挑戰(zhàn)的困擾，主要是因?yàn)?Ryberg 傳感器不必與熱噪聲抗衡。此外，傳統(tǒng)接收器的性能受天線尺寸和形狀的影響很大。Ryberg 傳感器在接收到的 RF 頻率波長方面沒有這種尺寸限制。孔徑形狀和 RF 頻率的這種去耦使里德堡傳感器能夠在從 MHz 到 THz 的大頻率范圍內(nèi)進(jìn)行編程。
盡管有這些優(yōu)勢(shì)，但要實(shí)現(xiàn)里德堡傳感器在相關(guān)國防應(yīng)用中的潛力，仍然必須克服重大的技術(shù)挑戰(zhàn)。QA計(jì)劃旨在解決這些挑戰(zhàn)。研究人員將采用量子和機(jī)電系統(tǒng)工程來展示里德堡傳感器作為便攜式射頻接收器系統(tǒng)一部分的實(shí)用性。目標(biāo)系統(tǒng)將能夠定向接收低強(qiáng)度、調(diào)制的射頻信號(hào)，并在非常大的頻譜范圍內(nèi)運(yùn)行——從 10 MHz 到 40 GHz 或更多。
這將使用戶能夠用一個(gè)天線看到更寬的頻譜，特別是與軍事應(yīng)用相關(guān)的部分。研究人員還將努力開發(fā)一種可在各種頻率下成功運(yùn)行的 1 立方厘米封裝的傳感器元件及其相關(guān)電子設(shè)備。
這將打破傳統(tǒng)天線存在的頻率范圍和尺寸之間的權(quán)衡。此外，QA 傳感器將利用激光代替電纜進(jìn)行布線，使其對(duì)高功率效應(yīng)更具彈性并耐受微波輻射。如果傳感器在高功率校準(zhǔn)器或發(fā)射器附近使用，這是一項(xiàng)關(guān)鍵功能。
該計(jì)劃的最終目標(biāo)是展示檢測(cè)和處理一些常用波形（GPS、數(shù)字電視和跳頻波形）的能力，以及開發(fā)可以利用里德堡接收器獨(dú)特的射頻傳感特性的新型波形用于未來的國防應(yīng)用。
“最近的里德堡原子傳感器演示表明，可以訪問大部分射頻頻譜，但 QA 的目標(biāo)是通過在整個(gè)頻譜上不斷連接這些演示來超越這些努力，”伯克指出。“我們正在從一個(gè)功能的簡單演示轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N設(shè)備，該設(shè)備可以通過編程來完成幾乎任何事情，并且大部分功能都比傳統(tǒng)接收器做得更好。這包括加快調(diào)整傳感器的時(shí)間，提高對(duì)小信號(hào)的靈敏度，增強(qiáng)動(dòng)態(tài)范圍并擴(kuò)大與現(xiàn)代信號(hào)的兼容性。”
Quantum Apertures 計(jì)劃預(yù)計(jì)將運(yùn)行 56 個(gè)月，分為四個(gè)階段。研究將于 2021 年秋季開始。
