雷達(dá)是一種用無線電波的反射信號(hào)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并測(cè)定其空間位置、移動(dòng)方向、速度、相對(duì)距離以及大概形狀的電子設(shè)備。雷達(dá)地下成像指的是利用探地雷達(dá)技術(shù)來獲取地下結(jié)構(gòu)的圖像，常被廣泛應(yīng)用于工程、考古、地質(zhì)和環(huán)境研究等領(lǐng)域，用于探測(cè)地下管線、文物、地質(zhì)構(gòu)造等。

量子雷達(dá)則是一種利用量子力學(xué)原理來探測(cè)目標(biāo)物體的先進(jìn)雷達(dá)技術(shù)。它與傳統(tǒng)雷達(dá)的主要區(qū)別在于，量子雷達(dá)利用量子態(tài)的特性（如量子糾纏、量子疊加等）來實(shí)現(xiàn)更高效、更靈敏的探測(cè)

近日，來自美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新型雷達(dá)，有望提升地下成像技術(shù)。該雷達(dá)利用玻璃容器內(nèi)的原子云來探測(cè)反射的無線電波，通過量子力學(xué)特性實(shí)現(xiàn)測(cè)量功能。雖然目前仍是原型機(jī)，但其設(shè)計(jì)用途包括地下管線鋪設(shè)、天然氣鉆井定位、考古遺址發(fā)掘等需要探測(cè)埋藏物體的場(chǎng)景。

與傳統(tǒng)雷達(dá)類似，該設(shè)備發(fā)射無線電波并接收物體反射波，通過測(cè)量反射波返回時(shí)間即可確定物體位置。傳統(tǒng)雷達(dá)依賴大型天線等接收組件探測(cè)反射波，而新設(shè)備則通過檢測(cè)反射波與原子云的相互作用來實(shí)現(xiàn)信號(hào)接收。

目前，該雷達(dá)系統(tǒng)體積仍顯笨重，研究人員為便于測(cè)試將其連接在光學(xué)平臺(tái)組件上。但團(tuán)隊(duì)認(rèn)為這種量子雷達(dá)有望實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)更小的體積?！拔覀儾辉傩枰嫶蟮慕饘俳Y(jié)構(gòu)接收信號(hào)，取而代之的是僅約1厘米大小的原子玻璃容器”，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）物理學(xué)家、該研究團(tuán)隊(duì)成員 Matthew Simons 解釋道。

作為量子雷達(dá)核心組件的玻璃容器內(nèi)充滿常溫下的銫原子。研究人員利用激光將每個(gè)銫原子“膨脹”至接近細(xì)菌大?。s常規(guī)尺寸的 1 萬倍），這種處于膨脹態(tài)的原子被稱為里德伯原子

當(dāng)無線電波與里德伯原子相遇時(shí)，會(huì)擾動(dòng)原子核周圍電子云的分布。研究人員通過激光照射檢測(cè)這種擾動(dòng)：原子受激發(fā)光時(shí)，若正與無線電波相互作用，其發(fā)光顏色會(huì)產(chǎn)生變化。通過監(jiān)測(cè)這種色變現(xiàn)象，原子云便成為無線電接收器。波蘭華沙大學(xué)物理學(xué)家 Micha? Parniak（未參與研究）指出，里德伯原子的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在于無需調(diào)整物理結(jié)構(gòu)就能響應(yīng)寬頻段無線電波，這意味著同一個(gè)設(shè)備可以適應(yīng)從地下探測(cè)到通信傳輸?shù)炔煌瑘?chǎng)景的需求。

Simons 的團(tuán)隊(duì)通過將雷達(dá)放置在一個(gè)特別設(shè)計(jì)的房間里進(jìn)行測(cè)試，該房間的地板、天花板和墻壁布滿類似鐘乳石的泡沫錐體結(jié)構(gòu)，能吸收近乎全部入射電波而非反射。這種設(shè)計(jì)模擬了開闊空間環(huán)境，有效消除墻壁反射干擾，使研究人員能精準(zhǔn)評(píng)估雷達(dá)的成像能力。

研究人員在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)設(shè)置了無線電波發(fā)射器，并將里德伯原子接收器（通過光纖與室外光學(xué)平臺(tái)連接）置于其中。測(cè)試中，他們向約A4 紙大小的銅板、數(shù)根管道及鋼棒等目標(biāo)物發(fā)射無線電波，這些物體最遠(yuǎn)距離接收器五米。該雷達(dá)系統(tǒng)成功將物體定位精度控制在 4.7 厘米以內(nèi)。

這項(xiàng)研究使量子雷達(dá)向商業(yè)化產(chǎn)品邁進(jìn)了一步。“其核心在于各組件的精妙整合，”Parniak 評(píng)價(jià)道。盡管此前已有團(tuán)隊(duì)證實(shí)里德伯原子可作為無線電波探測(cè)器，但他表示這個(gè)團(tuán)隊(duì)比以往更巧妙地將接收器與設(shè)備的其他部分集成在一起。

其他研究團(tuán)隊(duì)也在探索里德伯原子的雷達(dá)應(yīng)用潛力：Parniak 課題組近期開發(fā)了用于汽車?yán)走_(dá)芯片故障診斷的里德伯原子射頻傳感器；另有學(xué)者正研究該技術(shù)測(cè)量土壤濕度的可行性。

該設(shè)備僅是量子傳感器技術(shù)的應(yīng)用案例之一。這類技術(shù)將量子元件融入傳統(tǒng)工具。例如美國政府研發(fā)的原子波特性陀螺儀已用于導(dǎo)航系統(tǒng)；基于鉆石晶格缺陷的量子傳感器則能檢測(cè)生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的磁場(chǎng)變化。

量子傳感器的優(yōu)勢(shì)在于核心組件的天然一致性。Simons 解釋道：“裝置中每個(gè)銫原子完全等同，且接收功能依賴于原子永恒不變的基本結(jié)構(gòu)，其特性可直接關(guān)聯(lián)基礎(chǔ)物理常數(shù)?！边@種特性使量子傳感器比傳統(tǒng)設(shè)備需要更少的校準(zhǔn)程序。

全球各國政府已投入數(shù)十億美元發(fā)展量子傳感器與量子計(jì)算機(jī)（二者組件高度互通）。例如里德伯原子既可用于量子雷達(dá)，也能作為量子比特構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)。Parniak 最近就將量子計(jì)算的糾錯(cuò)技術(shù)移植到里德伯原子傳感器中，實(shí)現(xiàn)了性能提升。

但要使量子雷達(dá)具備商業(yè)價(jià)值，仍需持續(xù)改進(jìn)，包括提升弱信號(hào)檢測(cè)靈敏度（可能通過優(yōu)化玻璃容器鍍膜實(shí)現(xiàn)）等。

https://www.technologyreview.com/2025/08/11/1121314/this-quantum-radar-could-image-buried-objects/