随着无线通信技术不断发展，电磁频谱资源的利用正向更宽频段拓展。近年来，里德堡原子凭借其对外部电磁场的高度敏感性，在微波测量、无线通信和电磁信号识别等领域展现出独特优势。
与传统电子学接收方式不同，里德堡原子利用原子能级对电磁场的响应，将外部电磁信号转换为可读取的光学信号，为新型电磁信号接收技术提供了新的思路。
目前，里德堡原子通信研究主要集中在GHz微波频段，而在MHz乃至kHz的较低频率范围内，原子与电磁场的耦合机制及接收灵敏度面临新的挑战。然而，短波电磁信号具有独特的传播优势，短波信号能够借助电离层传播实现远距离通信，在远程广播、应急通信及复杂环境下的信息传输等领域具有重要应用价值。
如何利用微小的原子敏感区域实现低频电磁信号的高灵敏接收，是推动里德堡原子通信向低频拓展的重要研究方向。
传统低频通信的挑战
与高频微波相比，较低频率的无线电波具有更长的波长。其中，3–30 MHz短波信号能够通过电离层反射或折射实现远距离传播，在不依赖卫星和地面中继网络的情况下，建立跨区域无线通信链路。
然而，较长的波长也给传统接收设备的小型化带来挑战。
传统无线接收机依赖金属天线将空间电磁波转换为电信号，其接收性能与天线的电尺寸密切相关。以10 MHz短波信号为例，其自由空间波长约为30 m，典型四分之一波长天线的长度约为7.5 m。
当天线尺寸远小于工作波长时，会面临接收效率降低、阻抗匹配困难以及工作带宽受限等问题。对于体积受限的接收设备而言，如何在保持小型化的同时有效接收远距离传播的微弱电磁信号，仍是一项重要挑战。
突破传统接收结构在尺寸、灵敏度与带宽之间的性能制约，是发展小型化低频通信接收技术的重要方向。
图1：传统低频通信天线。
里德堡原子低频通信方案
里德堡原子具有较大的电偶极矩和极化率，能够敏感地响应外部电磁场的变化。通过电磁诱导透明技术，可以将外部电场引起的原子能级变化转换为探测光透射信号的变化，从而实现电磁场信号的光学读出。
对于GHz频段的微波信号，可以利用微波与相邻里德堡能级之间的共振耦合实现高灵敏探测。当频率降低至MHz短波频段时，寻找合适的共振能级跃迁变得困难，原子与外场主要表现为非共振耦合，微弱电场引起的AC Stark频移十分微小，导致探测灵敏度受到限制。
针对这一问题，国防科技大学团队提出了一种结合亚波长谐振结构与里德堡原子外差探测的短波接收方案，该方案显著提升了里德堡原子对MHz电场的感知能力。
研究团队设计了一种由螺旋导体和可调金属极板构成的微型谐振结构，将铯原子气室置于结构内部。该结构能够将外部短波电磁场耦合并集中到原子敏感区域，通过局域电场增强弥补非共振原子响应较弱的不足。同时，利用外加本振电场与待测短波信号在原子中产生非共振混频，将高频电磁信号转换为低频拍频信号，实现微弱短波电场的高灵敏读出。
该谐振结构的电尺寸仅为 0.0043λ × 0.0035λ × 0.007λ，并且可以通过调节结构参数，使谐振频率在 9.365–10.223 MHz 范围内连续调谐。与未采用谐振增强结构的情况相比，电场探测灵敏度最高提升约8633倍，最低可测电场达到 2.41 μV/m，对应的电场灵敏度达到 1.71 μV m⁻¹ Hz⁻¹ᐟ²。
图2：亚波长谐振增强的里德堡原子短波电场探测方案，图片来源：IEEE Trans. Antennas Propag. 72(11), 8165–8172 (2024)。
研究团队进一步将这一方案应用于真实的远距离短波信号接收实验。
研究人员在湖南长沙开展室外实验，利用微型谐振结构与里德堡原子探头组成接收系统，成功接收了来自陕西宝鸡、直线传播距离约 880 km 的 9.81 MHz调幅广播信号，并通过原子的光学读出实现广播音频信号的恢复。
与传统先通过射频天线接收和放大信号、再将其加载到原子上的间接接收方案不同，该研究使自由空间传播的短波信号直接作用于原子接收结构，无需经过传统有源射频前端的放大。
这种直接接收方式能够减少经典电子学前置放大噪声对接收性能的限制，充分发挥里德堡原子对微弱电磁场的量子感知优势。
这一结果不仅验证了里德堡原子对远距离短波信号的直接接收能力，也表明通过设计外部电磁耦合结构，可以拓展原子传感器在非共振频段的应用，为小型化远距离低频通信接收提供新的技术路径。
图3：里德堡原子远距离短波广播接收，图片来源：IEEE Trans. Antennas Propag. 72(11), 8165–8172 (2024)。
小结：从低频信号探测到新型原子通信
里德堡原子在短波频段实现高灵敏电场探测与远距离广播信号接收，展示了原子量子传感技术向实际低频通信场景拓展的潜力。
与传统依赖电学天线和电子学前端的接收方案相比，里德堡原子利用量子态与外部电磁场的相互作用完成信号感知，能够在较小的原子敏感区域内实现电磁信号的光学读出。结合亚波长谐振结构的电场收集与局域增强能力，为紧凑型、高灵敏的短波接收系统提供新的解决方案。
但是，里德堡原子低频通信仍面临灵敏度与工作带宽之间的权衡，以及通信速率、系统稳定性等挑战。未来，通过优化外部电磁场与原子敏感区域的耦合、提升原子响应与光学读出性能，并推动系统小型化与集成化，有望进一步提升复杂电磁环境下的通信能力，加快里德堡原子通信技术的实际应用。
从实验室中的微弱电场测量，到跨越数百公里的真实低频广播信号接收，里德堡原子正逐步展现其作为新一代无线接收技术的应用潜力。