北京
雷达是一种用无线电波的反射信号发现目标并测定其空间位置、移动方向、速度、相对距离以及大概形状的电子设备。雷达地下成像指的是利用探地雷达技术来获取地下结构的图像，常被广泛应用于工程、考古、地质和环境研究等领域，用于探测地下管线、文物、地质构造等。
量子雷达则是一种利用量子力学原理来探测目标物体的先进雷达技术。它与传统雷达的主要区别在于，量子雷达利用量子态的特性（如量子纠缠、量子叠加等）来实现更高效、更灵敏的探测
近日，来自美国国家标准技术研究所的团队开发了一种新型雷达，有望提升地下成像技术。该雷达利用玻璃容器内的原子云来探测反射的无线电波，通过量子力学特性实现测量功能。虽然目前仍是原型机，但其设计用途包括地下管线铺设、天然气钻井定位、考古遗址发掘等需要探测埋藏物体的场景。
与传统雷达类似，该设备发射无线电波并接收物体反射波，通过测量反射波返回时间即可确定物体位置。传统雷达依赖大型天线等接收组件探测反射波，而新设备则通过检测反射波与原子云的相互作用来实现信号接收。
目前，该雷达系统体积仍显笨重，研究人员为便于测试将其连接在光学平台组件上。但团队认为这种量子雷达有望实现比传统设计更小的体积。“我们不再需要庞大的金属结构接收信号，取而代之的是仅约1厘米大小的原子玻璃容器”，美国国家标准与技术研究院（NIST）物理学家、该研究团队成员 Matthew Simons 解释道。
作为量子雷达核心组件的玻璃容器内充满常温下的铯原子。研究人员利用激光将每个铯原子“膨胀”至接近细菌大小（约常规尺寸的 1 万倍），这种处于膨胀态的原子被称为里德伯原子
当无线电波与里德伯原子相遇时，会扰动原子核周围电子云的分布。研究人员通过激光照射检测这种扰动：原子受激发光时，若正与无线电波相互作用，其发光颜色会产生变化。通过监测这种色变现象，原子云便成为无线电接收器。波兰华沙大学物理学家 Michał Parniak（未参与研究）指出，里德伯原子的独特优势在于无需调整物理结构就能响应宽频段无线电波，这意味着同一个设备可以适应从地下探测到通信传输等不同场景的需求。
Simons 的团队通过将雷达放置在一个特别设计的房间里进行测试，该房间的地板、天花板和墙壁布满类似钟乳石的泡沫锥体结构，能吸收近乎全部入射电波而非反射。这种设计模拟了开阔空间环境，有效消除墙壁反射干扰，使研究人员能精准评估雷达的成像能力。
研究人员在实验室内设置了无线电波发射器，并将里德伯原子接收器（通过光纤与室外光学平台连接）置于其中。测试中，他们向约A4 纸大小的铜板、数根管道及钢棒等目标物发射无线电波，这些物体最远距离接收器五米。该雷达系统成功将物体定位精度控制在 4.7 厘米以内。
这项研究使量子雷达向商业化产品迈进了一步。“其核心在于各组件的精妙整合，”Parniak 评价道。尽管此前已有团队证实里德伯原子可作为无线电波探测器，但他表示这个团队比以往更巧妙地将接收器与设备的其他部分集成在一起。
其他研究团队也在探索里德伯原子的雷达应用潜力：Parniak 课题组近期开发了用于汽车雷达芯片故障诊断的里德伯原子射频传感器；另有学者正研究该技术测量土壤湿度的可行性。
该设备仅是量子传感器技术的应用案例之一。这类技术将量子元件融入传统工具。例如美国政府研发的原子波特性陀螺仪已用于导航系统；基于钻石晶格缺陷的量子传感器则能检测生物医学领域的磁场变化。
量子传感器的优势在于核心组件的天然一致性。Simons 解释道：“装置中每个铯原子完全等同，且接收功能依赖于原子永恒不变的基本结构，其特性可直接关联基础物理常数。”这种特性使量子传感器比传统设备需要更少的校准程序。
全球各国政府已投入数十亿美元发展量子传感器与量子计算机（二者组件高度互通）。例如里德伯原子既可用于量子雷达，也能作为量子比特构建量子计算机。Parniak 最近就将量子计算的纠错技术移植到里德伯原子传感器中，实现了性能提升。
但要使量子雷达具备商业价值，仍需持续改进，包括提升弱信号检测灵敏度（可能通过优化玻璃容器镀膜实现）等。
https://www.technologyreview.com/2025/08/11/1121314/this-quantum-radar-could-image-buried-objects/
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