玻璃泡里藏着“量子侦察兵”，世界集成度最高“原子天线”亮相

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2024-04-29 17:33·北京日报客户端

一个20厘米见方的玻璃盒子，看起来并不起眼，里面却藏着一批最灵敏的“量子侦察兵”。当原子被激光激发到高量子态，它们就变得格外敏感，可以化身接收电磁波的天线。利用原子的量子特性，北京量子信息科学研究院研究员杨仁福带领团队，研制出了目前国际上集成度最高的里德堡原子电磁探测系统。4月29日，该成果在2024中关村论坛年会重大成果专场发布会上亮相。

从传统的“大锅盖”卫星天线，到“大哥大”手机上凸出的棒状天线，再到高度集成化的智能手机天线……信息的无线传输，离不开天线的帮助。但传统天线都是由金属制成，它的存在会让电磁场发生形变，导致测量不够准确。同时，传统天线是在接收到电磁波后，通过后端的电子元器件将信号放大，如果突然遭遇极强的电磁场，比如强雷电天气，天线可能被瞬间烧毁。

一颗直径仅为厘米级的玻璃泡，便能解决这一难题。玻璃泡内封装着特定的原子，当激光“击中”它们，原子的最外层电子就会被“拽”开。“原子的直径一般是亚纳米级，激光则能把外层电子‘搬’到直径微米级的轨道上，这时的原子处在激发态，对周围的电磁环境改变十分敏感。”杨仁福说，围绕这项技术，国内外科研人员都在努力突破，但此前，要想运行一台“原子天线”，需要大量的设备与其配套，“大量的电路、激光设备，得摆上满满一桌子。”

现在，在杨仁福的实验室，“原子天线”实现了一拎即走，各类设备高度集成在一个高度约20厘米的标准机箱内。辅以团队研发的控制软件，一个“外行”也能轻松调试它，接收到想要的电磁波信号。

前不久，这台“原子天线”在国际上首次实现分辨率为720P的数字高清视频传输。在不久的将来，它有望应用于气象领域，在观雨听雷中发挥作用。“这种天线将不再惧怕强雷电，也不会像传统天线金属结构的存在而影响观测精度，更重要的是，它将能探测到更宽的电磁波频段。”杨仁福肯定地说，“它在未来的应用将是革命性的。”

近年来，北京量子院在量子科学领域接连产出世界级成果。“北京量子院给了我们科研人员足够的信任，我们不需要一年一考核，也不要求发表论文的数量。”杨仁福说，在这样自由的氛围下，科研团队却在自我加压，仅用两年时间就取得了国际顶尖的科研成果。从实验室研发到样机制作，需要科研人员与工程人员密切协作，北京量子院建起的共性支持平台，也为科研工作的开展提供了有力支撑。