探索宇宙奧秘 · 理性思考

2026年2月26日，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）的科學(xué)家們完成了一項(xiàng)看起來(lái)有些奇妙的實(shí)驗(yàn)：他們用一類(lèi)特殊的原子，成功接收并解碼了一臺(tái)普通手持對(duì)講機(jī)發(fā)出的語(yǔ)音信號(hào)。這不再是物理實(shí)驗(yàn)室里用精密儀器折騰理想化信號(hào)的游戲，而是實(shí)實(shí)在在的“原子收音機(jī)”第一次聽(tīng)懂了日常電子設(shè)備說(shuō)的話。這項(xiàng)研究發(fā)表在《物理評(píng)論應(yīng)用》雜志上，它標(biāo)志著量子傳感器向我們的現(xiàn)實(shí)生活又邁進(jìn)了一大步。

要理解這個(gè)突破，我們得先認(rèn)識(shí)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(gè)電子被激光激發(fā)到了極高的能量級(jí)上。

你可以想象一下，這個(gè)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(gè)孤獨(dú)的衛(wèi)星，在圍繞著一個(gè)帶正電的“核心”運(yùn)轉(zhuǎn)。這種狀態(tài)下的原子，對(duì)外界的電場(chǎng)變化敏感得驚人。

當(dāng)一個(gè)原子處于電場(chǎng)中，它內(nèi)部電子的能級(jí)會(huì)發(fā)生微小的移動(dòng)，這被稱(chēng)為斯塔克效應(yīng)。在普通的原子里，這種移動(dòng)微乎其微。但在里德伯原子里，由于那個(gè)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(duì)電場(chǎng)的影響極度敏感。

這種敏感性，讓里德伯原子變成了一個(gè)近乎完美的微型電場(chǎng)傳感器。當(dāng)一束探測(cè)激光穿過(guò)這些原子時(shí)，科學(xué)家就能通過(guò)分析透射光的光譜變化，精確地“讀出”周?chē)妶?chǎng)的強(qiáng)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(duì)從2009年就開(kāi)始探索里德伯原子的這一潛力。但過(guò)去的研究大多在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行，面對(duì)的是純凈的理想信號(hào)。而這次，諾亞·施洛斯伯格和同事們挑戰(zhàn)的，是一臺(tái)真實(shí)世界里的手持對(duì)講機(jī)發(fā)出的信號(hào)。

這里有一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)難題。對(duì)講機(jī)使用的是調(diào)頻信號(hào)，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(chǎng)強(qiáng)度傳感器，它對(duì)電磁波的強(qiáng)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(gè)只能感知聲音大小的耳朵，很難聽(tīng)出音調(diào)的高低變化。

研究團(tuán)隊(duì)的巧妙之處在于，他們給原子加了一個(gè)“翻譯器”。他們?cè)诮邮諏?duì)講機(jī)信號(hào)的同時(shí)，也向原子發(fā)射了一個(gè)頻率非常接近的人工參考信號(hào)。

當(dāng)這兩個(gè)頻率相近的信號(hào)在原子氣室里相遇時(shí)，它們會(huì)相互干涉，形成一個(gè)合成電場(chǎng)。這個(gè)合成電場(chǎng)的強(qiáng)度會(huì)以一個(gè)固定的頻率（也就是兩個(gè)原始信號(hào)的頻率之差）發(fā)生周期性的起伏，這就是“拍頻”。

對(duì)講機(jī)里傳來(lái)的語(yǔ)音信息，正是通過(guò)改變載波頻率來(lái)編碼的。當(dāng)頻率變化時(shí)，它與參考信號(hào)的頻率差也會(huì)隨之變化，導(dǎo)致“拍頻”的頻率也隨之變化。這個(gè)不斷變化的“拍頻”，就像一個(gè)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(lái)，被激光光譜清晰地捕捉到?？茖W(xué)家們?cè)購(gòu)倪@些光譜變化中，成功還原出了清晰的語(yǔ)音。

這次實(shí)驗(yàn)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(wú)線電技術(shù)的巨大潛力。

第一，它實(shí)現(xiàn)了“超寬帶”接收。里德伯原子對(duì)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(shí)驗(yàn)中，一個(gè)原子接收器就同時(shí)接收了所有22個(gè)可用的公共對(duì)講機(jī)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(jī)或收音機(jī)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(gè)特定的頻道，想聽(tīng)別的臺(tái)，就得“擰”過(guò)去。而原子接收器天生就能“看到”整個(gè)頻譜，它可以同時(shí)監(jiān)聽(tīng)所有頻道，就像一個(gè)警察在監(jiān)控室里，能同時(shí)看清所有屏幕上的畫(huà)面。未來(lái)，這種能力或許能讓通信設(shè)備變得無(wú)比簡(jiǎn)單，一個(gè)設(shè)備就能處理所有頻段的信號(hào)。

第二，它指向了硬件極簡(jiǎn)化的未來(lái)。霍洛韋研究員指出，這種原子接收器在原理上可以直接完成信號(hào)的解調(diào)和下變頻，有望省去傳統(tǒng)接收機(jī)中大量的前端電子設(shè)備和復(fù)雜電路。這對(duì)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(chǎng)激烈的科學(xué)競(jìng)賽。中國(guó)科學(xué)家在這個(gè)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(guó)的研究團(tuán)隊(duì)就已經(jīng)在里德伯原子量子傳感領(lǐng)域取得了多項(xiàng)突破性進(jìn)展。例如，中科院精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)等機(jī)構(gòu)的研究人員，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了基于里德伯原子的微波電場(chǎng)測(cè)量，其靈敏度達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。

中國(guó)的科學(xué)家們不僅追趕著國(guó)際步伐，也在不斷提出新的方案。他們利用里德伯原子實(shí)現(xiàn)了對(duì)微弱微波信號(hào)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(cè)量到量子模擬，再到這次展示的通信應(yīng)用，中國(guó)的研究脈絡(luò)與全球同行同步交織，共同推動(dòng)著這個(gè)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(tái)上的精密原子，有朝一日可能集成到我們的手機(jī)里，讓通信變得更加靈敏、高效和全能。當(dāng)原子開(kāi)始聽(tīng)懂人類(lèi)的語(yǔ)言，一個(gè)全新的“量子信息技術(shù)”時(shí)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