在现代无线通信中，复杂的电磁噪声和蓄意干扰无处不在。从日常的蓝牙设备到高规格的抗干扰保密电台，跳频通信（FHSS） 一直是最经典的抗干扰盾牌。它的工作机制，是通信双方约定一套复杂的“跳频密码本”，让载波频率以极短的驻留时间在不同信道间高速跳转。对于不知道密码规律的外界干扰者而言，整个频谱上到处都是短暂闪烁的信号，“既难锁定，也跟不上”，从而用极高的动态不确定性，换来了极强的通信安全与抗干扰能力。然而，传统的跳频系统极度依赖复杂的天线前端和分散的电子学混频硬件。想要在几个G甚至几十G的超大频段内实现任意频率跳变，接收机必须堆叠大量的本振源、混频器和滤波器，体积庞大、功耗高且扩展性极差。
如果利用量子世界的原子来充当通信接收机，会发生什么？
里德堡原子具有极大的电偶极矩，对电磁场异常敏感，并且其自身就是一种天然的超宽带混频器。近日，来自中国科学技术大学的研究团队，联合哈尔滨工业大学、乾元实验室等单位开展深入合作，成功研制出一种基于波导耦合里德堡原子的超宽带抗干扰量子通信系统。该系统跨越了从100 kHz 到 20 GHz 的超宽工作频带（横跨 17 个倍频程），实现了高达 100 khop/s（10万跳/秒） 的跳频速率与 超 15 万个跳频信道，相较于单频通信系统，其窄带抗干扰能力提升了惊人的 51 dB。相关研究成果于2026 年发表在国际知名学术期刊《Nature Communications》上，论文题为“Ultra-broadband anti-jamming communication via a Rydberg atomic receiver”。文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-76592-3
图1：基于里德堡原子的超宽带跳频通信系统示意图。（a）85Rb 原子的三能级 EIT 系统与微波引起的 AC 斯塔克能级跃迁。（b）波导耦合里德堡原子气室实验光路及接收端结构。（c）超宽带跳频通信抗干扰流程图。
告别复杂射频前端：原子充当“全波段混频器”
传统的无线电接收机如果想覆盖P、L、S、C、X、Ku 直至 K 波段，往往需要针对不同频段设计数套截然不同的射频链路与微波芯片。在本项工作中，研究团队另辟蹊径，利用波导耦合的里德堡原子气室构建了全新的量子接收机：天然内建混频：探测信号与参考本振（LO）场同时输入波导并作用于里德堡原子。原子在非共振微波场的作用下发生交流斯塔克位移（AC Stark Shift），天然地将两路高频信号的“差拍拍频”转印到探测激光的透射光谱上。免除硬件调谐：传统基于能级共振的原子传感器只能在特定谐振频率工作，而该工作利用非共振外差混频机制，完全摆脱了对原子固定跃迁频点的依赖。架构大幅精简：无需在后端布置密密麻麻的离散电子混频器件，仅凭一套光学读出系统，就实现了从低频到微波频段的原生下变频解调。实验表明，该接收机的瞬时处理带宽为132 kHz，动态范围超过 100 dB，且灵敏度在宽频带范围内表现高度一致，最低可检测信号强度达 -138.17 dBm。
图2：跳频通信信号调制与解调流程。（a-d）待传信息（二维码及字符串）编码、加导头、BPSK 调制及多信道跳频映射。（e）基于里德堡超外差的信号接收。（f）解调还原出的中频信号时域波形。（g）清晰的 BPSK 星座图，显示了极高的数据保真度。（h）在无干扰环境下，系统实现了超低误码率（BER < 8.73 × 10⁻⁹）。
17个倍频程与15万信道：跳频能力的降维打击
为了直观评估这套量子接收系统的性能，我们不妨以日常最熟悉的跳频技术——蓝牙（Bluetooth） 作为对照标尺：频段覆盖跨越17 个倍频程：系统的跳频范围直接从 100 kHz 连续覆盖至 20 GHz，横跨了无线电频谱中的 P、L、S、C、X、Ku、K 等 7 个主流频段；拥有超过15 万个可用信道：凭借 20 GHz 的连续工作频带，系统理论支持的跳频信道数达到了 151,515 个，比传统蓝牙（79 个信道）高出了 1900 倍，较以往同类双信道原子跳频方案提升了 4 个数量级；极高的信道密度：即使在与蓝牙相同的2.4 GHz ISM 频段内，该系统的信道密度也达到了 ~8 channels/MHz，约为蓝牙密度的 8 倍；极速跳频：实现了100 khop/s（10万跳/秒） 的超快跳频速率，达到了“一跳一符号（100 kbps）”的高速动态切换。这意味着，通信信号犹如在由15 万个房间组成的巨大迷宫中以十万分之一秒的极速随机穿梭，外部恶意干扰者要想追踪甚至压制整个系统，在算力和功率上都将面临“不可能的任务”。
图3：强干扰环境下的抗干扰鲁棒性评测。（a-b）同频同步随机码干扰测试模型。（c）系统抗干扰因子CJR对比（较传统单频系统容限提升51 dB，较蓝牙提升 23 dB）。（d）误码率（BER）与像素丢失率（PMR）随干扰强度的变化。（e）强干扰下的图像传输效果实测：无跳频系统图像彻底崩塌（下），而里德堡跳频系统依然清晰无损（上）。
51 dB提升：强干扰下的“毫发无损”
在实际通信环境中，最具威胁的是“同频瞄准式干扰”。研究团队在实验中人为注入了与载波同频、同步调制且功率强大的破坏性干扰信号。抗干扰定量测试得出了令人瞩目的数据：51 dB 的容限跃迁：以系统抗干扰因子CJR评价，该量子跳频系统面对窄带干扰时的承受容限相较于单频系统提升了51 dB，较传统蓝牙体制提升了 23 dB；强干扰下误码率稳定 < 1%：在干扰功率高达 0 dBm（远超信号功率 14 dB 以上）的严苛条件下，系统的平均误码率（BER）与图像像素丢失率（PMR）依然稳稳压制在 1% 以下；全谱压制成为“不可能”：多音与多信道压制实验表明，敌方要彻底瘫痪单个信道需约 10 dBm 功率，而要压制这套拥有海量信道的原子系统，所需的总干扰功率将呈爆炸式增长，从物理层面上杜绝了敌方实施“全覆盖致盲”的可能。即使在同一信道遭遇双频复用干扰，利用里德堡原子输出信号配合简单的滤波算法，也可以直接消除寄生调制，完好无损地复原出原始数据。
图4：多频复杂干扰下的多信道跳频响应。（a-b）30个随机信道中部分信道被 10 dBm 强干扰击穿，但其余未被干扰信道数据传输不受任何波及。（c）单信道存在双音干扰时的拍频滤除与数据恢复。（d）总干扰功率需求随信道数量呈阶跃上升。
物理机制：微秒级瞬态响应揭示系统极限潜力
为什么微型原子气室能承受如此剧烈的瞬态频跳？跳频速率不能无限提高，它取决于原子在微波突变后需要多久“反应并稳定下来”（即弛豫时间）。为了精确评估接收机的物理响应上限，研究团队在含时 Lindblad 主方程中引入了已有的亚稳暗态修正模型（Dark-state correction）：传统未经修正的模型预测弛豫时间为0.2 μs，而在计入亚稳暗态效应后，理论预测弛豫时间约为 1 μs，这一数值与团队多次测量的实验结果高度吻合；这从物理上证明：在当前 10 μs（对应 100 khop/s）的跳跃周期下，原子有极其充裕的时间弛豫并建立稳态，准静态近似在动态跳频分析中完全成立；更重要的是，这也给出了系统现阶段的理论天花板——当前 100 khop/s 的跳频速率主要受限于微波源与激光参数等外围硬件，依据这套经过实验验证的模型，该里德堡系统本身理论上完全能够承载高达 ~1 Mhop/s（百万跳/秒） 的极速跳跃；若进一步结合优化的能级激发方案，跳频能力甚至有望冲击数兆跳/秒。
图5：超宽带与瞬态响应特性。（a）系统在 100 kHz - 30 GHz 范围内的灵敏度平坦度。（b）10.7 GHz 与 11.7 GHz 间的 100 khop/s 高速双频跳跃。（c）跨越 20 个大频段（100 kHz - 20 GHz）的超宽带跳频中频输出。（d-f）原子对微波相位突变、幅度突变及频偏突变的微秒级瞬态跟踪。
总结与展望
从经典电子学的硬件堆叠，到量子原子的本质化感知，这项工作建立起了首个全功能波导增强型里德堡原子超宽带跳频保密通信系统：破除带宽与灵敏度枷锁：彻底解决了传统原子共振方案工作频段单一的痛点，用单一原子初始态覆盖 17 个倍频程；极简的高性能通信架构：将混频、下变频功能集中于量子气室中，为摆脱传统射频多通道笨重硬件奠定了物理基础；量子赋能电子对抗：展现出量子传感在复杂电磁环境、电子保密通信、空天地海一体化抗干扰网络中的战略应用前景。未来，随着微型化原子气室（MEMS 气室）与集成光子芯片技术的融合，基于里德堡原子的便携式、全天候量子无线电台有望走向现实，为无线电通信开辟一条全新的量子抗干扰之路。