2 无线电数字通信
基于里德堡原子的通信技术越来越受到关注。通过里德堡原子探测光的透射接收信号无需解调，可直接处理AM[14,29-35]，FM[31]和PM[12-14,36]信号。当微波场为AM或FM时，探测光频率锁定在EIT谱最高点，探针光透射即光电探测器电压输出与调制信号直接相关，调制会自然转移到探测场的透射光谱中。里德堡原子自动解调载波，直接获得基带信号[31]。Holloway等[37]通过对吉他输出的连续载波（Continuous Wave，CW）进行AM调制，经由里德堡原子检测和接收后，实时捕获和恢复音乐模拟信号，再由后端设备实现音乐的播放或录制。通过优化信号与带宽的比例，成功实现了模拟AM调制的实时电视信号接收，数据速率达到了249 Mbit/s[38]。山西大学研究团队[39]提出了一种基于里德堡原子天线的频率编码方法，将调制频率带分为红(R)、绿(G)、蓝(B)3个子带，将彩图的RGB信息编码到调制子带上独立传输，在C波段和S波段实现了多频接收，优化多通道信号，实现了高保真度的数字彩图传输。
里德堡原子能够将高频射频场下变频到几千赫兹的IF来测量相位，IF信号的相位直接反映射频场的相位。通过测量IF信号的相对相移，可以确定PM信号的相位状态。里德堡原子混频器技术已成功检测到BPSK、QPSK和16QAM等PM 信号[12-13]。Berweger等[36]利用闭环量子干涉技术，无需外部LO场，实现了里德堡原子混频器，解调了800 Hz PM调制的QPSK信号，但灵敏度降低了一个数量级。Meyer等[40]实现了1.7~116 GHz的5个正弦PM射频音调解调检测，并展示了一种采用开关键控协议的数字通信方法，能够同时接收跨越近一个数量级频率范围的4个频段。在慢速符号速率下，数据速率为4 kbit/s，误码率优于8×10-3；在快速符号速率下，数据速率为40 kbit/s，误码率优于6.1×10-1。此通信接收演示展示了同时接收多信号载波数据的能力。未来，将实现超过100 个音调的全幅度或相位解调。Simons等[14]通过嵌入平行板波导（Parallel Plate Wave Guide，PPWG）中的原子气室接收PM调制信号，PPWG当作LO源和捕获远程RF场的天线，系统具有小型化的潜力。
里德堡原子已被探索用于高灵敏度、高带宽的数字通信接收机。当RF场弱且频率高时，里德堡跃迁偶极矩小，AT分裂程度低，测量RF场困难[41]。Kumar等[42-43]提出了一种基于频率调制光谱技术的弱场探测方法，使用电光调制器来调制探测光，提高读出信号的信噪比，灵敏度约为3 μV/cm/Hz1/2。此外，还提出使用马赫-曾德尔干涉仪（Mach-Zehnder Interferometer，MZI）提升灵敏度[44]，通过探测非线性相移降低探测激光的噪声，并利用强LO场增强EIT信号，实现接近散粒噪声极限的灵敏度，约为5 μV/cm/Hz1/2。MZI和频率调制光谱学均达到光子散粒噪声限制灵敏度[45-46]。三光子方案可提高灵敏度达一个数量级，但目前仍受限于光子散粒噪声[47-50]。超越光子散粒噪声限制困难，可能需使用非经典的压缩光或薛定谔猫态，但前者对于原子实验非常具有挑战性，而后者在除了非常小的原子系统外均不可行。通过再泵浦原子混频器和超外差接收技术可以进一步扩展灵敏度极限。Gordon等[11]报道了里德堡原子混频器能探测到比AT极限低84 dB的弱电场，频率分辨率超过1 Hz，灵敏度达到0.79 μV/cm/Hz1/2。该方案的主要限制因素是多普勒效应和探测与耦合光频率不匹配引起的残余多普勒偏移。引入基态再泵浦激光可以在避免额外的多普勒或功率展宽的情况下增强相互作用强度，原子混频器和再泵浦技术互补可显著提升灵敏度[51]。Jing等[52]开发了一种新型超外差微波电场量子传感器，利用与里德堡跃迁共振的微波电场，通过控制局部微波场实现EIT谱线的线性修饰，进行斜率检测，首次实现相位和频率实验测量，灵敏度达55 nV/cm/Hz1/2。该传感器具有灵敏度缩放和频率分辨率测量不受相干时间限制的优势。这种原子接收器在实际实验中达到的量子投影噪声极限灵敏度远低于理论灵敏度。这是因为虽然所有参与光-原子相互作用的原子都会产生噪声，但只有其中一部分参与射频跃迁的原子能够提供有用的信号[53]。
Cai等[54]基于双色激光串联通过调谐射频场频率打破AT分裂的对称性，使其中一个不对称分支对射频电场的变化更加敏感，成功将灵敏度提高到12.50（04） nV/cm/Hz1/2。Du等[55]通过远离共振的电四极微波跃迁缀饰恢复里德堡EIT信号，实现8 dB的EIT信号增强。Fu等[56]结合激光阵列，将里德堡格原子接收器灵敏度提升至23 nV/cm/Hz1/2，2×2光束阵列实验的信噪比增加10.5 dB。优化激光光束[57-58]和引入封装在谐振腔内的里德堡原子气室[18,59-60]都可以进一步提升电场测量的灵敏度。Cox等[61]比较了里德堡量子传感器与电光晶体和天线耦合的传感器模型，结果显示里德堡量子传感器具备竞争力。
量子传感器利用量子纠缠在标准量子极限（Standard Quantum Limitation， SQL）下或超越SQL操作，实现高精度测量。然而，里德堡原子电场传感器尚未达到SQL[62]，主要受限于量子投影噪声和波函数坍缩[63]，光子散粒噪声不对接收机的灵敏度构成根本限制。实验条件（如强探测场、光谱展宽和光学深度）会影响灵敏度[62]。黑体辐射噪声对跃迁线宽无显著影响[64-65]。再泵浦原子混频器和超外差接收等技术为实现量子投影噪声限制的灵敏度提供了发展方向。
通信系统的高瞬时带宽可提升系统的数据传输速率、分辨率和抗干扰能力，例如增加对多个卫星信号的接收能力或提高雷达系统的目标分辨率和跟踪能力。里德堡原子在通信中的带宽限制由EIT形成时间和RF场响应时间决定。Bohaichuk等[66]研究了里德堡原子对10 μs射频脉冲的响应，发现存在两个时间尺度：最初的100 ns内透射率迅速下降，随后几微秒内缓慢减少。慢速变化主要由原子运动引起。EIT产生稳定里德堡态，射频脉冲开启后，EIT被破坏，导致暗态布居减少。上里德堡态原子的漂出和基态原子的替代速度由传输时间决定，影响原子响应和平衡时间。脉冲后沿恢复可能更长，因原子间碰撞电离和电场效应，需约100 μs重新平衡。传输时间决定了原子响应和平衡时间，上里德堡态的破坏同样影响接收机的瞬时带宽，可能是限制带宽的主要障碍。Knarr等[67]提出了一种新的架构，通过时空复用（Spatiotemporal Multiplexing，STM）技术，显著提升了里德堡传感器的响应速度，该架构将连续波探测光转换成一系列脉冲，并引导这些脉冲沿不同的空间路径传播。在不同时间到达的探测光束序列中，每个光束在里德堡态的破坏时间上错开来增加瞬时带宽。实验上验证了使用STM方案进行100 Mbit/s高速无错误通信的可行性。美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）[68]近期提出的光频率探测技术，将里德堡原子电测的射频带宽提升至12 MHz，灵敏度达90 nV/cm/Hz1/2，带宽增加可能与原子与梳齿的时间动态及暗态破坏有关，与时空复用探测脉冲列理论相似。Hu等[69]研究了基于里德堡原子的超外差接收器的响应带宽特性，发现探测激光拉比频率与带宽呈反比，与耦合激光拉比频率呈二次关系，且带宽与光斑半径成反比，优化后实现6.8 MHz带宽。
研究里德堡原子接收机的信道容量是考察其数据传输能力的重要一环。根据香农-哈特利定理，里德堡接收机的信道容量C=BWlog2(1)+SNR，其中SNR是信号功率与噪声功率之比，BW是通道带宽。信道容量通常受光子散粒噪声限制[63]。使用单个发射和多个接收天线建立多个信道可实现更高数据容量C(N)=BW×log2 (1+N×SNR)，其中N为接收天线个数。与传统电小天线不同，里德堡原子电磁接收装置的信道容量不受载波频率限制。使用相似尺寸的里德堡接收机，不受带宽限制，可保持较高数据速率[63]。
探索其他探测方案（如多通道多频段探测实现并行通信），有望提高信道容量以及数据传输容量和效率。Holloway等[37,70]展示了在同一个原子气室中，通过两种不同里德堡原子物种捕获和恢复音乐模拟信号，使用了两倍数量的激光。Song等[71-72]通过共振微波和另一个附近的微小调谐微波验证了基于里德堡原子的频分复用（Frequency Division Multiplexing，FDM）的可行性。Du等[73]实现了在两个不同里德堡态上的并行两通道模拟和数字通信。Cox等[40,74]利用了更复杂的多通道配置。深度学习模型也被用于处理量子通信的多通道信号[75-76]，提升信号预测能力和在噪声数据中识别信息的能力。利用光频梳在里德堡原子AT分裂模式中进行大规模并行数据采集的新方法[77]，免去了传统激光扫描。此外，为了实现宽带连续可调的基于原子的接收机，依次采用了附加的相邻谐振场[71,78-79]或里德堡AC Stark效应。一些团队[80-81]已经通过交变Stark位移测量电场，而不耦合任何里德堡态跃迁。这可通过单一的里德堡态实现连续可调的电场测量，也已应用于对弱MHz电场的高灵敏度测量。Meyer等[23]展示了一种基于热里德堡原子的射频接收机和频谱分析仪，系统使用离共振射频外差技术，实现直流至20 GHz载波频率范围的连续操作，具有高达-120(2) dBm/Hz的本征灵敏度、直流耦合、4 MHz瞬时带宽和超过80 dB的线性动态范围。系统的峰值灵敏度优于-145 dBm/Hz。连接标准兔耳天线，频谱分析仪能检测包括FM广播、AM广播、Wi-Fi和蓝牙在内的微弱环境信号。里德堡原子已用于高灵敏度、高带宽数字通信接收机，北京量子信息科学研究院已经将里德堡原子电磁信号接收系统从实验室平台集成到标准的4U机箱中。原子天线/原子探头[25-27]可以通过光纤与接收机耦合探测外界电磁信号变化。里德堡原子电磁接收机已初步验证了对雷达信号接收[16,66]，以及有效接收来自卫星传输的遥感数据[82-83]。
里德堡原子接收器相比传统无线电技术，优势包括低噪声敏感性、超高灵敏度以及支持多波段或多通道通信。尽管里德堡原子电场传感器尚未达SQL水平，但通过再泵浦原子混频器和超外差接收技术可提升灵敏度。STM技术和光频梳辅助探测技术提供了提高响应速度和带宽的新思路。多通道多频段探测方案和深度学习模型处理信号，有望提高数据传输容量和效率。交替Stark位移测量电场可实现连续频率调谐，发展出宽频电磁频谱扫描仪，未来可通过光频梳技术进行大规模并行数据采集。基于里德堡原子的通信技术具有巨大潜力，有望带来通信领域的创新和突破。
3 电磁计量
现有射频电场探针需在“已知”电场中校准，但电场又需通过已校准探针测量才“已知”，形成校准循环难题。利用室温下里德堡原子探针的EIT/AT分裂效应可测量外界电场振幅，从公式（1）来看，RF电场幅度的测量被简化为光频测量，这直接与基本单位关联。原子探针面临比如噪声、衰减和失真等新的挑战。例如，原子气室可能衰减和失真目标信号，导致测量电场与入射目标电场存在差异[84]。为确立新的里德堡原子探针标准校准方法，需进行全面不确定性分析，不确定性通常分为两类。一是基于量子的不确定性，主要涉及里德堡跃迁偶极矩℘的精确确定[1]和公式（1）中线性关系的有效性[85]。每个里德堡跃迁的℘值通过计算确定[86]，准确性可达0.1%。在特定条件下，线性偏差的不确定性可控制在0.5%以内[85]，通过比较探测光、耦合光和射频场的拉比频率实现。二是基于测量的不确定性[85-90]，主要包括EIT/AT分裂振幅测量中存在的系统误差和统计噪声。
表1列出了EIT/AT分裂振幅测量中的系统误差和统计噪声来源[1]。统计噪声主要与激光频率和幅度稳定性相关，影响灵敏度。系统误差主要与地球磁场变化和频率发生器不确定性相关。背景电场和磁场的波动可忽略。为减少地球背景磁场引起的误差，未来实验需磁场置零或屏蔽原子。Simons等[86]研究了频率刻度、峰值查找和气室位置的不确定度，分别为0.06%、0.5%和1.0%。频率刻度的不确定度影响小。测量频率分离的不确定度通过结合峰值位置的不确定度确定，可由公式（1）计算。初步计算系统不确定度为1.4%，但未考虑RF驻波不确定度，需通过测量气室位置和建模场分布[21]来限制[86]。Simons等[91]使用此方法测量了超过110 GHz的高频射频电场强度，SI直接可溯源。
表1 EIT/AT分裂振幅测量中存在的系统误差和统计噪声的主要来源
注：μB是玻尔磁子，α是Rydberg态的极化率，ΔEfs是Rydberg态的精细结构分裂，NA表示不适用
准确测量微波电场强度对天线设计、设备开发、电磁干扰特征化、先进雷达应用和材料特征化等领域至关重要。利用里德堡原子探针的EIT/AT分裂效应为电场振幅的测量提供了一种新途径，将RF电场幅度的测量简化为光频测量，可溯源至国际单位制。基于 全面的不确定性分析可通过里德堡原子进行微波功率计量。未来难题是确保复杂环境下的测量精度和可靠性。建立国际校准标准和认证体系可以保障计量的可比性和可靠性。此外，开发便携式小型化里德堡原子计量装置也将加快其实用化的进程。
4 微波辐射场成像
微波辐射场分为感应近场、辐射远场和中间区域。感应近场因测量方便、保真度高而受到重视，近场天线测量因便利性和空间需求小而快速发展。天线是接收微波的关键单元，其尺寸和金属组成影响小空间和靠近导电结构处的测量，金属成分还可能导致互耦效应，阻碍RF场测量。基于里德堡原子的微波辐射场成像技术，特别是原子探针在近场天线测量中的应用，为现代天线设计分析提供了先进的测试技术和系统。相比传统的微波喇叭电场分布成像方法，基于原子的场测量技术提高了准确性和灵敏度，且无须校准。
Fan等[92]使用常温铯气室中的里德堡原子EIT光谱测量亚波长微波电场，无需低温环境，减少了电场扰动。实验结果显示测量结果与气室几何形状无关，对6.9 GHz微波电场实现了约66 μm空间成像分辨率。Holloway等[93-94]使用该技术分别在17.04 GHz和104.77 GHz下测量了玻璃圆柱体内射频场的电场分布，达到约100 μm空间分辨率，理论上可达光学衍射极限分辨率，远超传统探测器。密歇根大学团队[95]使用EIT技术探测RF诱导的里德堡原子AC Stark位移获取电场强度，并对Ku波段金字塔喇叭天线进行近场成像，展示了λ/10空间分辨率的近场成像能力；同时还使用光纤耦合的原子探针进行了11.6 GHz时E平面和H平面的远场测量，与传统测量结果一致性良好。相同的原子探针还被用于在255 GHz频率处进行亚太特兹电场测量。Bai等[96]测量了发射3.99 GHz微波的微波喇叭近场，并通过改变喇叭位置测量电场分布，研究了偏振和对称性，实验结果与仿真结果一致，与金属探针相比，原子探针残差小了1.6 dB，更准确地反映了模拟场。
Anderson等[97-98]使用便携式里德堡原子电场探测仪和电场集成探头（Rydberg Field Probe，RFP）对RF Yagi-Uda天线近场进行次波长电场测量和成像。探测仪利用EIT感知里德堡态光谱特征，通过光纤连接到便携式机架单元，远程操作和测量RF场。基于2.5 GHz下里德堡能级AC位移的电场测量，栅格扫描得到二维电场分布图，展示天线近场电场分布，空间分辨率为λRF/2。实验结果显示，大部分电场集中在天线瞄准线沿z方向，且场强随距离快速下降，符合近场预期。RFP的AC Stark位移测量模式提供约40 dB动态范围，相对测量不确定度为5.5%。研究者还展示了使用基于里德堡 EIT荧光读出的里德堡成像仪获得的100 GHz RF信号相位的二维图像，显示了整个图像中的局部驻波相位。
Mao等[27]设计了新型高效的RFP，解决了现有RFP效率低、设计难、系统效率仅17%的问题。新型RFP包括133Cs蒸气池、二色镜、3个准直透镜和3根光纤，系统效率可达40.4%，尺寸约4 cm×3 cm×1 cm，耦合和探测光可独立控制。设计不含金属减少对待测场的干扰，探测和耦合光反向传播，最小化多普勒展宽，确保激光偏振一致和光束直径精确控制。采用二色镜集成方法解决准直透镜和光纤共享问题，提高了系统效率。新型RFP的EIT线宽约6 MHz，比传统RFP小得多。RFP可接收所有方向RF场，几何形状和材料对入射电场无显著干扰。利用133Cs原子的里德堡状态在常温下的共振RF场，实现C波段喇叭天线4.48 GHz的近场测量和成像，空间分辨率为λ/6。利用超外差技术可同时测量微波幅度和相位，Shi等[99]提出了一种新的天线近场测量方法，即通过移动维瓦尔第天线和标准喇叭天线的相对位置，测量喇叭天线近场平面的幅度和相位，该方法能准确测量高达40 dB的动态范围，相位误差在1%以内。
基于原子的微波场成像技术在微波辐射场研究中具有重要意义。基于室温微型气室中里德堡原子EIT/AT技术的高灵敏度电场测量能够实现在远小于RF波长的尺度上实现高分辨率近场和远场成像。这一技术不仅避免了金属部件对辐射模式的扭曲，还能够解决传统金属探针在远场超低旁瓣信息测试中的准确性问题。利用里德堡原子探针进行近场测量，并通过傅里叶变换得到远场结果，能够真实反映天线的远场分布情况，为天线设计和分析提供了新的可能性。原子探针还能精确映射亚波长尺度的射频场，适用于超表面等设计验证和表征，为微波工程领域的发展提供了重要的参考。
5 结束语
里德堡原子利用其高主量子数态和独特量子特性，开辟了电磁波探测、数字通信、微波电场计量和成像的新途径。室温碱金属原子气室中利用里德堡原子的EIT/AT分裂效应进行电场特性测量，实现了精密的电场幅度、极化、相位和到达角测量。里德堡原子电磁信号接收系统从实验室平台集成到标准的4U机箱中，原子天线/原子探头可以通过光纤与接收机耦合探测外界电磁信号变化。里德堡原子可检测多种调制信号，已用于高灵敏度、高带宽数字通信接收机，实现彩色图像和音视频信号的传输，接收微弱环境信号，并初步验证了对雷达信号和卫星传输的遥感数据的接收。未来，里德堡原子电磁接收机将适应复杂电磁环境，探索跳频通信，确保通信安全和稳定。预期能捕捉微弱信号，实现远距离精确探测和跟踪。接收卫星遥感数据用于气象预测和环境监测。利用里德堡原子电场测量已能进行微波功率计量，未来将建立国际标准校准和认证体系保障测量结果的可比性和可靠性。里德堡原子的高灵敏度电场测量可实现高分辨率近场和远场成像，避免金属部件的辐射模式扭曲，为天线设计和分析提供新可能性。原子探针精确映射亚波长尺度的射频场，适用于超表面等设计验证和表征，推动微波工程领域的发展。里德堡量子传感器具有小巧、高速和敏感的特点，超越传统电小天线的限制。通过开发小尺寸激光锁定系统，接收机实现小型化，提高便携性，可推动其实用化。基于里德堡原子的电磁探测技术可能是量子领域内率先实用的技术之一。
