科学家让原子“听”懂了对讲机，量子传感走出实验室

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2026年2月26日，美国国家标准与技术研究院（NIST）的科学家们完成了一项看起来有些奇妙的实验：他们用一类特殊的原子，成功接收并解码了一台普通手持对讲机发出的语音信号。这不再是物理实验室里用精密仪器折腾理想化信号的游戏，而是实实在在的“原子收音机”第一次听懂了日常电子设备说的话。这项研究发表在《物理评论应用》杂志上，它标志着量子传感器向我们的现实生活又迈进了一大步。

要理解这个突破，我们得先认识一下这次的主角：里德伯原子。这是一种特殊的原子，它里面的一个电子被激光激发到了极高的能量级上。

你可以想象一下，这个电子被“推”到了离原子核非常非常远的地方，远到它几乎像一个孤独的卫星，在围绕着一个带正电的“核心”运转。这种状态下的原子，对外界的电场变化敏感得惊人。

当一个原子处于电场中，它内部电子的能级会发生微小的移动，这被称为斯塔克效应。在普通的原子里，这种移动微乎其微。但在里德伯原子里，由于那个电子离得很远，它与原子核的结合变得非常松散，因此对电场的影响极度敏感。

这种敏感性，让里德伯原子变成了一个近乎完美的微型电场传感器。当一束探测激光穿过这些原子时，科学家就能通过分析透射光的光谱变化，精确地“读出”周围电场的强度和频率信息。这比我们传统的金属天线，在原理上要精巧得多。

NIST的克里斯托弗·霍洛韦团队从2009年就开始探索里德伯原子的这一潜力。但过去的研究大多在实验室里进行，面对的是纯净的理想信号。而这次，诺亚·施洛斯伯格和同事们挑战的，是一台真实世界里的手持对讲机发出的信号。

这里有一个关键的技术难题。对讲机使用的是调频信号，信息被编码在载波频率的微小变化里。里德伯原子作为一种电场强度传感器，它对电磁波的强度（振幅）变化很敏感，却很难直接响应频率的变化。这就像一个只能感知声音大小的耳朵，很难听出音调的高低变化。

研究团队的巧妙之处在于，他们给原子加了一个“翻译器”。他们在接收对讲机信号的同时，也向原子发射了一个频率非常接近的人工参考信号。

当这两个频率相近的信号在原子气室里相遇时，它们会相互干涉，形成一个合成电场。这个合成电场的强度会以一个固定的频率（也就是两个原始信号的频率之差）发生周期性的起伏，这就是“拍频”。

对讲机里传来的语音信息，正是通过改变载波频率来编码的。当频率变化时，它与参考信号的频率差也会随之变化，导致“拍频”的频率也随之变化。这个不断变化的“拍频”，就像一个频率变化的振幅调制，最终在里德伯原子的斯塔克效应中体现出来，被激光光谱清晰地捕捉到。科学家们再从这些光谱变化中，成功还原出了清晰的语音。

这次实验的成功，不仅仅在于证明了原理的可行性。更重要的是，它展示了里德伯原子接收器颠覆传统无线电技术的巨大潜力。

第一，它实现了“超宽带”接收。里德伯原子对非常广的频率范围内的电磁波都能做出响应。在这次实验中，一个原子接收器就同时接收了所有22个可用的公共对讲机频道，并且频道之间的隔离度很好，互不干扰。

这和我们现在的手机或收音机完全不同。传统的接收器需要复杂的滤波器和调谐电路才能选中一个特定的频道，想听别的台，就得“拧”过去。而原子接收器天生就能“看到”整个频谱，它可以同时监听所有频道，就像一个警察在监控室里，能同时看清所有屏幕上的画面。未来，这种能力或许能让通信设备变得无比简单，一个设备就能处理所有频段的信号。

第二，它指向了硬件极简化的未来。霍洛韦研究员指出，这种原子接收器在原理上可以直接完成信号的解调和下变频，有望省去传统接收机中大量的前端电子设备和复杂电路。这对于设备的微型化、低功耗化有着深远的意义。

里德伯原子的研究，在全球范围内都是一场激烈的科学竞赛。中国科学家在这个领域绝非旁观者，而是处于世界前沿的重要力量。

早在几年前，中国的研究团队就已经在里德伯原子量子传感领域取得了多项突破性进展。例如，中科院精密测量科学与技术创新研究院、中国科学技术大学等机构的研究人员，已经实现了基于里德伯原子的微波电场测量，其灵敏度达到了国际先进水平。

中国的科学家们不仅追赶着国际步伐，也在不断提出新的方案。他们利用里德伯原子实现了对微弱微波信号的超外差接收，甚至探索了在更复杂的频段和更极端的条件下进行量子传感的可能性。从基础物理常数测量到量子模拟，再到这次展示的通信应用，中国的研究脉络与全球同行同步交织，共同推动着这个领域从理论走向实践。

NIST的这次成果，是里德伯原子传感器“出圈”的关键一步。它告诉我们，那些通常被锁在恒温隔振光学平台上的精密原子，有朝一日可能集成到我们的手机里，让通信变得更加灵敏、高效和全能。当原子开始听懂人类的语言，一个全新的“量子信息技术”时代，离我们真的不远了。

Noah Schlossberger et al, Rydberg atom reception of a handheld UHF frequency-modulated two-way radio, Physical Review Applied (2026). DOI: 10.1103/jlrg-6889