更多的原子，更好的傳感器

科學(xué)家首次實(shí)現(xiàn)基于里德堡原子臨界增強(qiáng)的高靈敏微波傳感

光明日?qǐng)?bào)合肥10月18日電（記者丁一鳴?通訊員王敏）日前，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在基于相變的精密測(cè)量上取得新進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)史保森教授、丁冬生教授課題組與丹麥奧爾胡斯大學(xué)Klaus?M?lmer教授和英國杜倫大學(xué)Charles?S.?Adams教授合作，利用強(qiáng)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的相變提高了里德堡原子對(duì)微波電場(chǎng)測(cè)量的精度和靈敏度，靈敏度可達(dá)49納伏每厘米每根號(hào)赫茲。相關(guān)研究成果10月17日發(fā)表于《自然-物理》。

(相關(guān)資料圖)

發(fā)展現(xiàn)代化先進(jìn)量子測(cè)量體系具有重要研究意義，它既是國家重大需求，又符合國際發(fā)展潮流。由于里德堡原子具有較大的電偶極矩，可以對(duì)微弱電場(chǎng)產(chǎn)生很強(qiáng)的響應(yīng)，因此已經(jīng)成為一個(gè)非常有前景的微波測(cè)量量子體系。此外，由于里德堡原子之間具有長(zhǎng)程強(qiáng)相互作用，常被用于模擬研究強(qiáng)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)以及相變。強(qiáng)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)在臨界點(diǎn)附近對(duì)外界擾動(dòng)更加敏感，可以被應(yīng)用于量子精密測(cè)量領(lǐng)域。

雖然有大量理論報(bào)道利用強(qiáng)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的臨界狀態(tài)去做量子傳感，但在實(shí)驗(yàn)上一直未能成功實(shí)現(xiàn)?！爸饕蚴嵌囿w系統(tǒng)相變過程制備難、臨界點(diǎn)的外場(chǎng)調(diào)控技術(shù)欠缺等?！闭撐墓餐髡摺⒅锌圃毫孔有畔⒅攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)室丁冬生教授介紹。

近年來，史保森、丁冬生科研團(tuán)隊(duì)利用里德堡原子體系，聚焦量子模擬和量子精密測(cè)量科學(xué)研究，已取得了重要進(jìn)展。

此次工作中，團(tuán)隊(duì)發(fā)展了里德堡原子臨界點(diǎn)與微波電場(chǎng)的耦合技術(shù)。基于室溫銣原子體系，利用多體系統(tǒng)相變點(diǎn)對(duì)于微波擾動(dòng)更加敏感的特點(diǎn)，顯著提高了測(cè)量微波的精度和靈敏度。

丁冬生說：“實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，多體系統(tǒng)中的原子透射譜線在相變點(diǎn)附近變得更加陡峭，這相當(dāng)于一把頻域上刻度更細(xì)的尺子，因此對(duì)于微波測(cè)量具有更高的精度?！?/p>

在評(píng)估傳感器時(shí)，一個(gè)關(guān)鍵量是Fisher?information，它表示一個(gè)測(cè)量量包含多少關(guān)于未知參數(shù)的信息。實(shí)驗(yàn)表明，相比于少體無相變的情況，多體系統(tǒng)在臨界點(diǎn)的Fisher?information顯著提高，具體提高了三個(gè)數(shù)量級(jí)。對(duì)應(yīng)于測(cè)量精度提升至少一個(gè)量級(jí)，并且隨測(cè)量時(shí)間的增加而增加，呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

該工作得到審稿人高度評(píng)價(jià)：“該實(shí)驗(yàn)真正具有開創(chuàng)性，具有重大的潛在影響，因?yàn)樗鼮殚_發(fā)基于強(qiáng)相互作用多體系統(tǒng)的新一代量子傳感器打開了大門。”“49納伏每厘米每根號(hào)赫茲的靈敏度令人印象深刻，很好地表明了這種方法在計(jì)量方面的潛在應(yīng)用?！?/p>

《光明日?qǐng)?bào)》（ 2022年10月19日?14版）