中國(guó)科大在多頻率微波傳感領(lǐng)域取得新進(jìn)展

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

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

里德堡原子具有較大的電偶極矩，可以對(duì)微弱的電場(chǎng)產(chǎn)生很強(qiáng)的響應(yīng)，因此作為一個(gè)非常有前景的微波測(cè)量體系，備受人們青睞。但基于里德堡原子的微波測(cè)量領(lǐng)域還存在很多科學(xué)問(wèn)題亟待解決，多頻率微波接收就是其中一項(xiàng)難題：這是因?yàn)槎囝l率微波在原子中會(huì)引起復(fù)雜的干涉模式，嚴(yán)重干擾了信號(hào)接收與識(shí)別。

近年來(lái)，史保森、丁冬生團(tuán)隊(duì)利用里德堡原子體系，聚焦量子模擬和量子精密測(cè)量科學(xué)研究，取得了重要進(jìn)展。在此次研究中，團(tuán)隊(duì)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(guò)電磁誘導(dǎo)透明效應(yīng)成功檢測(cè)了相位調(diào)制的多頻微波場(chǎng)（頻分復(fù)用的二進(jìn)制相移鍵控信號(hào)，一種在數(shù)字通信中廣泛使用信號(hào)傳輸方式），進(jìn)而將接收到的調(diào)制信號(hào)通過(guò)深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)了多頻微波信號(hào)的高保真解調(diào)，并進(jìn)一步檢驗(yàn)了實(shí)驗(yàn)方案針對(duì)微波噪聲的高魯棒性。

該工作有效地解碼了一個(gè)含噪聲二維碼的頻分復(fù)用相移鍵控信號(hào)，準(zhǔn)確率高達(dá)99.32%。研究成果表明，基于深度學(xué)習(xí)增強(qiáng)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(hào)，不需要多個(gè)帶通濾波器和其他復(fù)雜電路。

這項(xiàng)工作的創(chuàng)新之處在于提出并實(shí)現(xiàn)了在不求解主方程的情況下，有效探測(cè)多頻率微波電場(chǎng)的方案，既利用了里德堡原子的靈敏度優(yōu)勢(shì)，同時(shí)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(jī)結(jié)合，為精密測(cè)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(shí)探測(cè)多個(gè)目標(biāo)。