单个原子传感器如何帮助追踪地球冰川

一种单个原子传感器如何帮助跟踪地球的冰川

地球观测是目前卫星舰队最重要的功能之一。通常，每颗卫星专门用于一种遥感监测——比如监测海平面变化或观测云团的形成和移动。这主要是由于它们的传感器的限制，特别是雷达。

然而，正在研发中的一种新型传感器技术可能会改变远程地球观测的游戏规则。

这种新型传感器技术被称为Rydberg传感器，它利用量子理论同时检测广泛的雷达信号频段。美国国家航空航天局喷气推进实验室的达明德拉·阿鲁穆甘博士，擅长远程感知并且已经与这项技术合作多年，将参与该技术的开发工作。

那么Rydberg传感器有何特殊之处呢？

在典型的遥感应用中，卫星上搭载了一个非常擅长检测特定光频的传感器。以雷达术语来说，这些频段被分成许多不同的“波段”，每个波段覆盖从几兆赫到几吉赫的范围。有些更为人所熟知，比如超高频（300-1000兆赫），但也有一些更神秘的，比如Ku波段（12-18吉赫）。

每个频段都擅长监测地球上的一个特定系统。例如，NASA使用VHF（30-300兆赫）来研究地球的层析图像，使用UHF波段来研究雪和降雨。

然而，每个频率都需要自己专门设计的天线来检测，因此任何试图在广泛频率范围内具有检测能力，从而监测广泛不同系统的系统，随着添加额外波段的增加，系统的成本将变得越来越昂贵。

这就是Rydberg传感器的用武之地。它们是一种新型传感器，利用单个原子的量子状态来检测广泛的不同电磁波。例如，单个Rydberg传感器可以检测从HF波段一直到雷达频谱较快端的Ka波段的信号。这将允许搭载单个传感器的卫星监测雷达能够远程检测到的所有不同系统。

解释Rydberg传感器的工作原理需要对量子力学有相对完整的理解。Rydberg传感器以一种称为Rydberg态的量子状态命名，这种状态对其环境的影响非常敏感。

要达到Rydberg态，工程师必须用激光轰击一颗铷或铯的单个原子，使其发展到一个非常大的状态——几乎和细菌大小一样大。然后他们通过光学手段监测原子的变化，这些变化受到先前提到的雷达波段的信号的影响。

支持的光学系统然后分析原子的变化，并将这些变化与特定频率波段的信号变化相关联。

已经展示了几个概念证明，例如由国家标准与技术研究所提供的那些，但它们尚未应用于太空——这就是阿鲁穆甘博士的研究所涉及的地方。他的项目是开发一个Rydberg传感器，可以搭载在卫星上并检测广泛的雷达信号，包括监测冰川、雪融和陆地上的冰盖。

阿鲁穆甘博士希望通过单个Rydberg传感器获取地球冰川、融雪和冰盖随时间变化的完整数据画面。

这还有很长的路要走，因为太空旅行并不以温柔著称，到目前为止，Rydberg传感器只在实验室中展示过工作。但考虑到这项技术才出现了十年，还有很大的改进潜力。

正如阿鲁穆甘博士在他的提案撰写结束时所说，这项技术“有望在NASA、公众和工业界引起兴趣……” 如果它确实像理论家们期望的那样工作，那么他将被证明是正确的。