DARPA 已宣布選擇了量子孔徑 （Quantum Apertures，QA） 計劃的研究團(tuán)隊，該計劃旨在開發(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)隊將由霍尼韋爾、諾斯羅普格魯曼、ColdQuanta 和 SRI International 領(lǐng)導(dǎo)。
QA 計劃旨在開發(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 項目的項目經(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)則取代對天線技術(shù)施加的現(xiàn)有基本限制。Quantum Apertures 尋求在我們訪問和使用頻譜的方式上創(chuàng)造范式轉(zhuǎn)變。”
被選中加入該計劃的研究團(tuán)隊將通過推進(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） 計劃實現(xiàn)了使用高度激發(fā)的里德堡量子態(tài)來感知電子場的潛力。
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，這使它們對電場高度敏感 - 有效地像小天線一樣起作用。最近，美國陸軍研究實驗室 （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 傳感器有幾個優(yōu)點。它們不會受到同樣的靈敏度挑戰(zhàn)的困擾，主要是因為 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，但要實現(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，并在非常大的頻譜范圍內(nèi)運行——從 10 MHz 到 40 GHz 或更多。
這將使用戶能夠用一個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，這是一項關(guān)鍵功能。
該計劃的最終目標(biāo)是展示檢測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)整傳感器的時間，提高對小信號的靈敏度，增強(qiáng)動態(tài)范圍并擴(kuò)大與現(xiàn)代信號的兼容性。”
Quantum Apertures 計劃預(yù)計將運行 56 個月，分為四個階段。研究將于 2021 年秋季開始。
