新型量子射頻系統或將取代及超越傳統天線

一種全新的量子射頻（RF）系統，可能在受干擾環境中超越傳統天線的效能。這項技術利用原子作為主要感測介質，以雷射監測無線電波如何擾動原子，以減少對傳統射頻前端元件的依賴，適應當今“更容易被干擾、被偽造、被遮蔽或被淹沒”的對抗性環境。

大多數人將量子技術與未來電腦聯想在一起，但總部位于科羅拉多州的Infleqtion公司卻押注于，第一個能真正應用于現實世界的重大量子技術突破，或許將發生在射頻（RF）感測領域——也就是支撐GPS、雷達、無線通訊、航空導航與軍事偵察的核心技術。

該公司近期發布了一種基于原子的新型無線電訊號偵測方法，并將其命名為“量子頻譜”（Quantum Spectrum）技術平臺。這項技術有望在未來取代傳統天線系統的部分組件。

值得關注的是，這項新方法出現的時機，正值全球無線電環境變得日益混亂之際。

“各國政府都依賴射頻訊號來進行導航、通訊、威脅偵測、貨物運輸、空域管理，以及關鍵基礎設施的運作。而如今，這些訊號比以往更容易被干擾、被偽造、被遮蔽或被淹沒。”Infleqtion團隊指出。

傳統射頻系統依賴天線與電子硬體，通常只針對有限的頻率范圍進行最佳化，迫使工程師必須為不同頻段建立獨立的系統。這帶來了設備尺寸、功耗與可靠性方面的挑戰，在對抗性環境中尤為突出。

Infleqtion聲稱，其新方法透過將原子本身作為感測器，有望繞過上述諸多傳統系統的限制。

激發態原子成為探測器

這套系統的核心是“里德堡原子”（Rydberg atom）——一種電子被雷射激發至極高能量狀態的原子。在這種狀態下，原子對包括無線電波在內的微波（Microwave）與無線電場變得極為敏感。

這套系統不依賴傳統金屬天線來捕捉訊號，而是以雷射監測入射無線電波對原子造成的擾動，再將這些擾動，轉換為可進一步推算訊號的頻率、方向與強度等資訊。

這一構想并非全新概念。多年來，物理學家一直在實驗室中研究“里德堡原子微波感測”（Rydberg Rydberg Microwave Sensing）技術，因為里德堡原子天然能與極寬頻率范圍的電磁場相互作用。

然而，要將這一量子現象轉化為能在受控實驗室條件以外使用的耐用硬體，至今仍困難重重。量子系統對熱能、雜訊與環境干擾高度敏感，如何打造一款能在真實環境中部署、尤其是在軍事環境中存活的便攜式接收器，始終是重大工程挑戰。

據Infleqtion的研究人員介紹，其“量子頻譜”平臺以三步驟量子感測流程取代傳統射頻前端硬體：

首先，雷射將原子激發至里德堡態；
接著，入射無線電波直接與這些原子相互作用；
最后，光學系統讀取原子的微小變化，并將其轉換為可用的射頻資訊。

由于原子本身充當感測介質，理論上同一臺接收器便能覆蓋從兆赫茲（MHz）到太赫茲（THz）的龐大頻率范圍，無需配備多套天線系統。

這項寬頻能力是最重要的技術主張之一，因為傳統接收器在嘗試同時監測頻譜多個部分時往往力不從心。基于原子的系統在原理上能以單一（有效接收）孔徑（single aperture）偵測跨越極寬頻率范圍的訊號。“在天線難以勝任的情況下，原子感測器仍可能發揮作用。”研究人員補充道。

Infleqtion團隊認為，這將有助于更早發現威脅、在干擾環境中提升性能，并改善對被遮蔽訊號或欺騙性訊號的識別能力。

從軍事野外測試到AI“調諧”的量子接收器

目前，該公司正透過美國、英國與澳洲的多項政府資助計劃對這項技術進行測試。“我們正在建造原型機、進行野外試驗，并針對真實環境部署強化這些系統。”研究人員表示。

在美國，研究人員正與陸軍研究實驗室合作，推進名為“魯棒積體量子電磁接收器”（Robust, Integrated Quantum Electromagnetic Receiver，簡稱RIQER）的項目，目標是打造一款可運輸的量子射頻系統，供士兵在GPS訊號不可用或遭受攻擊的環境中使用。

在英國，該公司主導“量子測向”（Quantum Direction Finding，簡稱QuDiFi）項目，旨在精確識別無線電訊號的來源方向，從而改善遠距導航與訊號追蹤能力，尤其是在傳統天線體積過大而難以部署的低頻段。

與此同時，在澳洲，Infleqtion正在研發“量子優化寬頻里德堡原子”（Quantum-Optimized Broadband Rydberg Atom，簡稱QOBRA）接收器，將量子感測與AI算法相結合，自動“調諧”（Tuning）雷射與系統參數，以最佳化靈敏度與即時頻寬。

[注：在量子射頻中，AI“調諧”（AI-tuned，AI自動調整）是指，透過AI控制雷射的波長、強度或副載波，進而改變里德堡原子的能級分裂（EIT，電磁感應透明效應），以適應不同的入射微波頻率。]

該公司也在著力解決量子技術面臨的最大難題之一：體積問題。許多量子系統依賴龐大的雷射與光學硬體，在實驗室以外難以實際應用。Infleqtion表示，積體光子學（Integrated Photonics，晶片級光子學）技術有望大幅縮減硬體尺寸——據公司估計，目前量子系統超過九成的體積與成本均來自雷射與光子學元件。

從無GPS導航到電子戰

盡管圍繞“量子頻譜”技術平臺有諸多大膽的說法，但要用原子取代傳統電子接收元件中的部分感測功能，仍有若干重要問題尚未解決。

該公司已展示原型機并取得政府資助，但尚未公開證明基于原子的接收器在真實條件下能穩定超越傳統射頻系統。此外，科學界研究里德堡原子感測已有多年，此次最新發布更像是一次商業化推進，而非全新的科學突破。

技術層面同樣存在待克服的障礙。量子感測器靈敏度極高，但由于振動、熱能、環境雜訊以及雷射系統的復雜性，在實驗室以外維持穩定性仍十分困難。

因此，“量子頻譜”技術平臺目前仍屬于雄心勃勃的早期技術，但若能成功落地，其潛在影響力毋庸置疑。潛在應用領域涵蓋無GPS導航、抗干擾通訊、無人機偵測、電子戰及下一代電信技術。