近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊在多頻率微波傳感上取得新進(jìn)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(qiáng)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(dá)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(yán)重干擾信號接收與識別。

近年來，中科大郭光燦院士團(tuán)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(jìn)展。此次，團(tuán)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(jìn)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(jìn)行分析，實現(xiàn)多頻微波信號的高保真解調(diào)，進(jìn)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(tuán)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(zhǔn)確率高達(dá)99.32%。研究成果表明，基于深度學(xué)習(xí)增強(qiáng)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(jī)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(biāo)。

機(jī)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(qiáng)傳感中的應(yīng)用?！?

中科院量子信息重點(diǎn)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。