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上取得新進展，利用人工智能實現(xiàn)了基于里德堡原子多頻率微波的精密探測，有助于基于里德堡原子的微波傳感和通信。

a為原子能級圖，b為實驗裝置圖，c-e為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層的示意圖，圖片來自中科大

由于里德堡原子具有較大的電偶極矩（電偶極矩可用于衡量電荷系統(tǒng)的整體極性），可以對微弱的電場產(chǎn)生很強的響應(yīng)，因此它作為一個微波測量體系備受青睞，基于里德堡原子的多頻微波電場測量在微波雷達和微波通信中具有廣闊的應(yīng)用前景。

然而，基于里德堡原子的微波測量領(lǐng)域還存在諸多科學(xué)問題亟待解決。其中，多頻率微波接收是一項難題，因為多頻率微波在原子中會引起復(fù)雜的干涉模式，嚴重干擾信號接收與識別。

近年來，中科大郭光燦院士團隊中史保森、丁冬生課題組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，取得重要進展。此次，團隊基于室溫下的銣原子體系，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（即頻分復(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），并將接收到的調(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)多頻微波信號的高保真解調(diào)，進一步檢驗了實驗方案針對微波噪聲的高魯棒性。

圖片來自《自然·通訊》(Nature communications)

團隊有效解碼了一個含噪聲QR碼的頻分復(fù)用(FDM)相移鍵控信號，準確率高達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FDM信號，不需要多個帶通濾波器及其它復(fù)雜電路。相關(guān)成果發(fā)表在《自然·通訊》(Nature communications)。

前述工作提出并實現(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，同時降低了噪聲影響。該研究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)的交叉結(jié)合提供了重要參考，還可應(yīng)用于同時探測多個目標。

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，圖片來自中科大

審稿人對此評價：“該工作展示的結(jié)果對原子分子光物理學(xué)領(lǐng)域的其他研究人員非常有用，因為它顯示了深度學(xué)習(xí)未來在原子系統(tǒng)量子增強傳感中的應(yīng)用。”

中科院量子信息重點實驗室博士研究生劉宗凱為論文第一作者，丁冬生教授、史保森教授為共同通訊作者。前述研究獲得科技部、基金委、中科院、安徽省重大科技專項以及中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)資助。