地球观测是我们目前卫星群最重要的功能之一。通常，每颗卫星专门用于一种遥感，例如监测海平面，或观察云层的发展和移动。这主要是由于其传感器(尤其是雷达)的限制。

单个原子传感器如何帮助追踪地球冰川

然而，正在开发的一种新型传感器可能会改变遥感地球的格局。

这项新传感器技术被称为里德伯传感器，它利用量子理论一次性探测到宽频带的雷达信号。NASA喷气推进实验室的达明德拉·阿鲁穆加姆(DarmindraArumugam)是遥感领域的专家，多年来一直致力于该技术的研究，他将参与这项技术的开发。

那么里德伯传感器为何如此特殊呢?

在典型的遥感应用中，传感器被发射到卫星上，该卫星非常擅长检测特定频率的光。用雷达术语来说，这些光被分成几个不同的“波段”，每个波段覆盖从几兆赫到几千兆赫不等的频率。有些波段比其他波段更为人熟知，例如UHF(超高频-300-1,000MHz)，但有些波段则更为深奥，例如12-18GHz的Ku波段。

每个频段都适合监测地球上的一个特定系统。例如，NASA使用VHF(30-300MHz)研究地球断层扫描，使用UHF频段研究雪和降雨。

然而，每个频率都需要专门设计的天线进行检测，因此，任何试图在很宽的频率范围内具有检测能力的系统，从而监控各种不同的系统，都会随着额外频段的增加而变得越来越昂贵。

这正是里德伯传感器的用武之地。它们是一种新型传感器，利用单个原子的量子态来检测各种电磁波的宽波段。例如，单个里德伯传感器可以检测从高频波段一直到雷达频谱中较快端的Ka波段的信号。这将使带有单个传感器的卫星能够监测雷达可以远程探测到的所有不同系统。

要解释里德堡传感器的工作原理，需要对量子力学有相对全面的了解。里德堡传感器得名于一种称为里德堡态的量子态，这种状态对周围环境极其敏感。

为了达到里德伯态，工程师必须用激光轰击单个铷原子或铯原子，使其生长到非常大的状态——几乎与细菌一样大小。然后他们用光学方法监测原子的变化，这些变化会受到前面提到的雷达波段信号的影响。

然后，支持光学系统会分析原子的变化，并将这些变化与特定频带信号的变化关联起来。

一些概念验证已经得到证实，例如美国国家标准与技术研究院提供的验证。但它们尚未应用于太空——而这正是阿鲁穆加姆博士的研究成果。他的项目是开发一种里德伯传感器，该传感器可以发射到卫星上，并探测宽波段的雷达信号，包括监测陆地上有冰雪的冰冻圈的信号。

利用一个里德伯传感器，阿鲁穆加姆博士希望捕捉所有数据，从而全面了解地球的冰川、融雪和冰盖随时间的变化情况。

这还有很长的路要走，因为众所周知，太空之旅并不平稳，而且到目前为止，里德伯传感器只在实验室中被证明有效。但考虑到这项技术只有十年的历史，还有很大的改进空间。

正如阿鲁穆加姆博士在其提案结尾处所说，这项技术“极有可能引起NASA、公众和业界的兴趣……”如果它能像理论家预期的那样发挥作用，那么他就是对的。