科學家首次實現基于里德堡原子臨界增強的敏微波傳感

日前，中國科學技術大學郭光燦院士團隊在基于相變的精密測量上取得新進展。團隊史保森教授、丁冬生教授課題組與丹麥奧爾胡斯大學Klaus M?lmer教授和英國杜倫大學Charles S. Adams教授合作，利用強關聯系統的相變提高了里德堡原子對微波電場測量的精度和靈敏度，靈敏度可達49納伏每厘米每根號赫茲。相關研究成果10月17日發表于《自然-物理》。

　　發展現代化先進量子測量體系具有重要研究意義，它既是國家重大需求，又符合國際發展潮流。由于里德堡原子具有較大的電偶極矩，可以對微弱電場產生很強的響應，因此已經成為一個非常有前景的微波測量量子體系。此外，由于里德堡原子之間具有長程強相互作用，常被用于模擬研究強關聯系統以及相變。強關聯系統在臨界點附近對外界擾動更加敏感，可以被應用于量子精密測量領域。

　　雖然有大量理論報道利用強關聯系統的臨界狀態去做量子傳感，但在實驗上一直未能成功實現。“主要原因是多體系統相變過程制備難、臨界點的外場調控技術欠缺等。”論文共同作者、中科院量子信息重點實驗室丁冬生教授介紹。

　　近年來，史保森、丁冬生科研團隊利用里德堡原子體系，聚焦量子模擬和量子精密測量科學研究，已取得了重要進展。

　　此次工作中，團隊發展了里德堡原子臨界點與微波電場的耦合技術。基于室溫銣原子體系，利用多體系統相變點對于微波擾動更加敏感的特點，顯著提高了測量微波的精度和靈敏度。

　　丁冬生說：“實驗發現，多體系統中的原子透射譜線在相變點附近變得更加陡峭，這相當于一把頻域上刻度更細的尺子，因此對于微波測量具有更高的精度。”

　　在評估傳感器時，一個關鍵量是Fisher information，它表示一個測量量包含多少關于未知參數的信息。實驗表明，相比于少體無相變的情況，多體系統在臨界點的Fisher information顯著提高，具體提高了三個數量級。對應于測量精度提升至少一個量級，并且隨測量時間的增加而增加，呈現指數增長的趨勢。

　　該工作得到審稿人高度評價：“該實驗真正具有開創性，具有重大的潛在影響，因為它為開發基于強相互作用多體系統的新一代量子傳感器打開了大門。”“49納伏每厘米每根號赫茲的靈敏度令人印象深刻，很好地表明了這種方法在計量方面的潛在應用。”