【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】中國(guó)科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)史保森、丁冬生研究組在冷里德堡原子氣體中利用遲滯軌跡的翻轉(zhuǎn)對(duì)微波場(chǎng)的敏感響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了超越標(biāo)準(zhǔn)量子極限的微波測(cè)量，相關(guān)成果1月12日以“Quantum enhanced metrology based on flipping trajectory of cold Rydberg gases”為題發(fā)表在《自然·通訊》上。
 

　　由于里德堡原子具有較大的電偶極矩，可以對(duì)微弱的電場(chǎng)產(chǎn)生很強(qiáng)的響應(yīng)，因此作為一個(gè)非常有前景的微波測(cè)量體系備受人們的青睞，在學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界取得了飛速發(fā)展。例如，美國(guó)陸軍實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了-145dBm/Hz的靈敏度，發(fā)展了基于里德堡原子的全頻譜探測(cè)技術(shù)。盡管如此，基于里德堡原子的微波測(cè)量領(lǐng)域還存在很多科學(xué)問(wèn)題有待解決，其中如何實(shí)現(xiàn)超高靈敏度的微波探測(cè)成為了人們研究的熱點(diǎn)。
 

　　圖1: (a) 原子能級(jí)圖。(b)折疊遲滯軌跡和原子系綜示意圖。(c) 探測(cè)光正向和反向掃描過(guò)程中里德堡態(tài)的布局差。
 

　　近年來(lái)，史保森、丁冬生研究組利用冷里德堡原子體系，聚焦量子模擬和量子精密測(cè)量科學(xué)研究，已取得了系列重要進(jìn)展。在本工作中，團(tuán)隊(duì)基于冷原子體系,利用里德堡多體系統(tǒng)中交疊的遲滯軌跡實(shí)現(xiàn)了量子增強(qiáng)傳感。在先前工作的基礎(chǔ)上[Nat. Commun. 16, 3511 (2025)]，研究人員進(jìn)一步在該系統(tǒng)中引入微波場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)微波場(chǎng)的變化會(huì)使遲滯軌跡發(fā)生明顯的交疊和翻轉(zhuǎn)。其中遲滯軌跡由于能隙閉合點(diǎn)的出現(xiàn)而發(fā)生交疊，且能隙閉合點(diǎn)(奇異點(diǎn))隨微波場(chǎng)的變化產(chǎn)生非線性的相邊界，因此追蹤奇異點(diǎn)隨微波場(chǎng)的變化可實(shí)現(xiàn)微波測(cè)量。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)調(diào)控里德堡多體系統(tǒng)的相互作用改變相邊界的陡峭程度，實(shí)現(xiàn)1.6(5)nV/cm/Hz1/2(-208.4±2.7dBm/Hz)的高靈敏度，超越了標(biāo)準(zhǔn)量子極限。
 

　　圖2：(a)能隙相圖的理論模擬。(a1)Liouvillian能譜和(a2)Liouvillian奇異點(diǎn)。(b)測(cè)量的遲滯軌跡變化相圖。(c)軌跡交疊區(qū)域可分離透射譜。(d)-(f)測(cè)量的遲滯軌跡。
 

　　理論上，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)四能級(jí)里德堡原子系統(tǒng)存在粒子-空穴對(duì)稱性，能隙閉合點(diǎn)(奇異點(diǎn))的出現(xiàn)打破了對(duì)稱性，將相圖劃分為對(duì)稱和對(duì)稱破缺相，其中由奇異點(diǎn)形成的相邊界展現(xiàn)出對(duì)外場(chǎng)的非線性響應(yīng)，如圖2(a)所示。實(shí)驗(yàn)中原子間的相互作用引起的耗散隨探測(cè)光強(qiáng)度和微波場(chǎng)的變化導(dǎo)致系列遲滯回線的出現(xiàn)。遲滯軌跡隨微波場(chǎng)的變化經(jīng)歷了三個(gè)過(guò)程：順時(shí)針→折疊→逆時(shí)針[圖2(d)-(f)]。在軌跡交疊區(qū)域，遲滯軌跡交點(diǎn)處的透射譜完全分離，可以實(shí)現(xiàn)高靈敏度的微波探測(cè)。通過(guò)測(cè)量相邊界隨微波場(chǎng)幅度的變化[圖3(a)-(h)]，可獲得系統(tǒng)的靈敏度。這項(xiàng)工作從多體非厄米理論到量子增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)，為量子領(lǐng)域的精密測(cè)量提供了新途徑。
 

　　圖3：(a)-(c)相邊界隨原子OD的變化。(d)相邊界的斜率隨原子OD的變化。(e)-(g)軌跡交點(diǎn)附近透射譜及不確定度。(h)系統(tǒng)靈敏度隨原子OD的變化及標(biāo)準(zhǔn)量子極限(SQL)。
 

　　該工作得到了審稿人的高度評(píng)價(jià)：“這項(xiàng)極具價(jià)值且極具時(shí)效性的實(shí)驗(yàn)，其影響可從兩個(gè)維度考量：(i) 展現(xiàn)量子系統(tǒng)在計(jì)量應(yīng)用中的強(qiáng)大效能；(ii)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到能隙閉合點(diǎn)與靈敏度提升之間的關(guān)聯(lián)。” (“This is a very interesting and timely experiment whose impact can be considered in two directions: (i) demonstration of the power of quantum systems in metrological applications; and (ii) experimental observation for the connection between the gap closing and enhanced sensitivity.”)
 

　　中國(guó)科大博士研究生王雅君、張俊和張正源為本文的共同第一作者，丁冬生教授，張力華博士后和劉邦博士后為本文的共同通訊作者。該成果得到了科技部、基金委以及中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的資助。
 

　　(量子網(wǎng)絡(luò)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、物理學(xué)院、中國(guó)科學(xué)院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部)