探索宇宙奧秘 · 理性思考

2026年2月26日，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）的科學(xué)家們完成了一項看起來有些奇妙的實驗：他們用一類特殊的原子，成功接收并解碼了一臺普通手持對講機發(fā)出的語音信號。這不再是物理實驗室里用精密儀器折騰理想化信號的游戲，而是實實在在的“原子收音機”第一次聽懂了日常電子設(shè)備說的話。這項研究發(fā)表在《物理評論應(yīng)用》雜志上，它標(biāo)志著量子傳感器向我們的現(xiàn)實生活又邁進(jìn)了一大步。

要理解這個突破，我們得先認(rèn)識一下這次的主角：里德伯原子。這是一種特殊的原子，它里面的一個電子被激光激發(fā)到了極高的能量級上。

你可以想象一下，這個電子被“推”到了離原子核非常非常遠(yuǎn)的地方，遠(yuǎn)到它幾乎像一個孤獨的衛(wèi)星，在圍繞著一個帶正電的“核心”運轉(zhuǎn)。這種狀態(tài)下的原子，對外界的電場變化敏感得驚人。

當(dāng)一個原子處于電場中，它內(nèi)部電子的能級會發(fā)生微小的移動，這被稱為斯塔克效應(yīng)。在普通的原子里，這種移動微乎其微。但在里德伯原子里，由于那個電子離得很遠(yuǎn)，它與原子核的結(jié)合變得非常松散，因此對電場的影響極度敏感。

這種敏感性，讓里德伯原子變成了一個近乎完美的微型電場傳感器。當(dāng)一束探測激光穿過這些原子時，科學(xué)家就能通過分析透射光的光譜變化，精確地“讀出”周圍電場的強度和頻率信息。這比我們傳統(tǒng)的金屬天線，在原理上要精巧得多。

NIST的克里斯托弗·霍洛韋團(tuán)隊從2009年就開始探索里德伯原子的這一潛力。但過去的研究大多在實驗室里進(jìn)行，面對的是純凈的理想信號。而這次，諾亞·施洛斯伯格和同事們挑戰(zhàn)的，是一臺真實世界里的手持對講機發(fā)出的信號。

這里有一個關(guān)鍵的技術(shù)難題。對講機使用的是調(diào)頻信號，信息被編碼在載波頻率的微小變化里。里德伯原子作為一種電場強度傳感器，它對電磁波的強度（振幅）變化很敏感，卻很難直接響應(yīng)頻率的變化。這就像一個只能感知聲音大小的耳朵，很難聽出音調(diào)的高低變化。

研究團(tuán)隊的巧妙之處在于，他們給原子加了一個“翻譯器”。他們在接收對講機信號的同時，也向原子發(fā)射了一個頻率非常接近的人工參考信號。

當(dāng)這兩個頻率相近的信號在原子氣室里相遇時，它們會相互干涉，形成一個合成電場。這個合成電場的強度會以一個固定的頻率（也就是兩個原始信號的頻率之差）發(fā)生周期性的起伏，這就是“拍頻”。

對講機里傳來的語音信息，正是通過改變載波頻率來編碼的。當(dāng)頻率變化時，它與參考信號的頻率差也會隨之變化，導(dǎo)致“拍頻”的頻率也隨之變化。這個不斷變化的“拍頻”，就像一個頻率變化的振幅調(diào)制，最終在里德伯原子的斯塔克效應(yīng)中體現(xiàn)出來，被激光光譜清晰地捕捉到?？茖W(xué)家們再從這些光譜變化中，成功還原出了清晰的語音。

這次實驗的成功，不僅僅在于證明了原理的可行性。更重要的是，它展示了里德伯原子接收器顛覆傳統(tǒng)無線電技術(shù)的巨大潛力。

第一，它實現(xiàn)了“超寬帶”接收。里德伯原子對非常廣的頻率范圍內(nèi)的電磁波都能做出響應(yīng)。在這次實驗中，一個原子接收器就同時接收了所有22個可用的公共對講機頻道，并且頻道之間的隔離度很好，互不干擾。

這和我們現(xiàn)在的手機或收音機完全不同。傳統(tǒng)的接收器需要復(fù)雜的濾波器和調(diào)諧電路才能選中一個特定的頻道，想聽別的臺，就得“擰”過去。而原子接收器天生就能“看到”整個頻譜，它可以同時監(jiān)聽所有頻道，就像一個警察在監(jiān)控室里，能同時看清所有屏幕上的畫面。未來，這種能力或許能讓通信設(shè)備變得無比簡單，一個設(shè)備就能處理所有頻段的信號。

第二，它指向了硬件極簡化的未來?；袈屙f研究員指出，這種原子接收器在原理上可以直接完成信號的解調(diào)和下變頻，有望省去傳統(tǒng)接收機中大量的前端電子設(shè)備和復(fù)雜電路。這對于設(shè)備的微型化、低功耗化有著深遠(yuǎn)的意義。

里德伯原子的研究，在全球范圍內(nèi)都是一場激烈的科學(xué)競賽。中國科學(xué)家在這個領(lǐng)域絕非旁觀者，而是處于世界前沿的重要力量。

早在幾年前，中國的研究團(tuán)隊就已經(jīng)在里德伯原子量子傳感領(lǐng)域取得了多項突破性進(jìn)展。例如，中科院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等機構(gòu)的研究人員，已經(jīng)實現(xiàn)了基于里德伯原子的微波電場測量，其靈敏度達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

中國的科學(xué)家們不僅追趕著國際步伐，也在不斷提出新的方案。他們利用里德伯原子實現(xiàn)了對微弱微波信號的超外差接收，甚至探索了在更復(fù)雜的頻段和更極端的條件下進(jìn)行量子傳感的可能性。從基礎(chǔ)物理常數(shù)測量到量子模擬，再到這次展示的通信應(yīng)用，中國的研究脈絡(luò)與全球同行同步交織，共同推動著這個領(lǐng)域從理論走向?qū)嵺`。

NIST的這次成果，是里德伯原子傳感器“出圈”的關(guān)鍵一步。它告訴我們，那些通常被鎖在恒溫隔振光學(xué)平臺上的精密原子，有朝一日可能集成到我們的手機里，讓通信變得更加靈敏、高效和全能。當(dāng)原子開始聽懂人類的語言，一個全新的“量子信息技術(shù)”時代，離我們真的不遠(yuǎn)了。

Noah Schlossberger et al, Rydberg atom reception of a handheld UHF frequency-modulated two-way radio, Physical Review Applied (2026). DOI: 10.1103/jlrg-6889