无线通信的新星高能激发原子接收普通无线电信号

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NIST 科学家 Holloway 调整镜子以瞄准激光束,以进行基于原子的数字调制通信实验(美国国家标准与技术研究所/Burrs)

无线通信和人工智能不仅是技术领域的热门话题,也引起政界、商界各界的强烈关注。 众所周知,另一个相关的科技热点是利用高能激发态原子传输无线电信号。 有人也称其为“原子无线电”,正展现出从实验室走向应用的前景。

无线电作为科学常识和生活中不可或缺的一部分,已经陪伴人类一百多年了。 无线电报和电话、广播和电视、卫星通信,甚至今天几乎每个人手中的智能手机都依赖于无线通信。 技术上,从调幅到调频到调相,从模拟到数字,信号传输的容量、速度和质量都得到了很大的提高。 利用高能激发态原子接收无线电信号是通信领域具有巨大潜力的新发展。

美国在“原子无线电”信号传输领域正在取得重大进展。 科罗拉多州博尔德市国家标准与技术研究所(NIST)的科学家利用激光照射铯原子,将其最外层电子激发到远离原子中心的轨道,形成超距离外层电子。 ,原子核及其内部电子构成了所谓的“原子现实”。 这种可以简化为二体问题的原子被称为“里德伯”态。

在 NIST,Christopher L. Holloway 和他的同事在实验中使用两种不同的激光束来照射封闭在蒸汽室中的铯原子,并将它们激发成两种不同类型的里德伯能量。 级别状态。 里德伯原子对电磁场非常敏感,入射电磁场信号经过时频率会发生变化。 Holloway等人使用一束射频作为参考信号,另一束作为调制信号载波,通过检测两个信号之间的频率和相移差异来接收来自发射机的信息。

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无线通信通常使用相移或相位调制的形式,其中信号在传输过程中彼此在时间上发生偏移。 图中红色为参考脉冲,蓝色为发射信号脉冲。 信息通过这种编码方法传输(美国国家标准与技术研究所/Holloway)

其他研究人员之前也进行过类似的基于原子的无线电传输实验,但霍洛威和他的团队是第一个使用相移方法实现原子无线电接收的人。 虽然他们的实验传输速率目前仅达到每秒5兆,仅相当于第三代手机,但它不仅未来潜力巨大,而且在噪声干扰较强的环境下其优势更加明显。

原子无线电信号接收也是切实可行的。 市场上已经有芯片级原子钟、微型激光器和蒸汽电池。 除了抗噪性之外,原子无线电还有许多独特的优点。 它不需要特殊的变频设备,处于里德伯态的原子会自动完成这项工作,信号接收器的尺寸甚至可以达到微米级。

随着这一新技术的悄然出现,未来的通信领域将走向何方,让我们拭目以待。

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