中國科大在多頻率微波傳感領(lǐng)域取得新進展

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團隊在多頻率微波傳感領(lǐng)域取得新進展。教授史保森、丁冬生課題組利用人工智能的方法，實現(xiàn)了基于里德堡原子多頻率微波的精密探測。相關(guān)成果4月14日發(fā)表于《自然-通訊》。

圖為機器學(xué)習(xí)解碼結(jié)果。(a-c)為訓(xùn)練時間不同時，深度學(xué)習(xí)模型對傳輸信號的恢復(fù)結(jié)果。

里德堡原子具有較大的電偶極矩，可以對微弱的電場產(chǎn)生很強的響應(yīng)，因此作為一個非常有前景的微波測量體系，備受人們青睞。但基于里德堡原子的微波測量領(lǐng)域還存在很多科學(xué)問題亟待解決，多頻率微波接收就是其中一項難題：這是因為多頻率微波在原子中會引起復(fù)雜的干涉模式，嚴(yán)重干擾了信號接收與識別。

近年來，史保森、丁冬生團隊利用里德堡原子體系，聚焦量子模擬和量子精密測量科學(xué)研究，取得了重要進展。在此次研究中，團隊基于室溫銣原子體系，利用里德堡原子作為微波天線及調(diào)制解調(diào)器，通過電磁誘導(dǎo)透明效應(yīng)成功檢測了相位調(diào)制的多頻微波場（頻分復(fù)用的二進制相移鍵控信號，一種在數(shù)字通信中廣泛使用信號傳輸方式），進而將接收到的調(diào)制信號通過深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行分析，實現(xiàn)了多頻微波信號的高保真解調(diào)，并進一步檢驗了實驗方案針對微波噪聲的高魯棒性。

該工作有效地解碼了一個含噪聲二維碼的頻分復(fù)用相移鍵控信號，準(zhǔn)確率高達99.32%。研究成果表明，基于深度學(xué)習(xí)增強的里德堡微波接收器可允許一次直接解碼20路頻分復(fù)用信號，不需要多個帶通濾波器和其他復(fù)雜電路。

這項工作的創(chuàng)新之處在于提出并實現(xiàn)了在不求解主方程的情況下，有效探測多頻率微波電場的方案，既利用了里德堡原子的靈敏度優(yōu)勢，同時也降低了噪聲的影響。該工作將原子傳感與深度學(xué)習(xí)有機結(jié)合，為精密測量領(lǐng)域與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)交叉結(jié)合提供了重要參考。此外，該成果還可以應(yīng)用于同時探測多個目標(biāo)。