中國科大郭光燦團隊實現基於裡德堡原子臨界增強的高靈敏微波傳感

來源：中國科學技術大學新聞網

我校郭光燦院士團隊在基於相變的精密測量上取得新進展。該團隊史保森、丁冬生課題組與丹麥奧爾胡斯大學的Klaus Mølmer教授和英國杜倫大學的Charles S. Adams教授合作，利用強關聯繫統的相變提高了裡德堡原子對微波電場測量的精度和靈敏度，相關成果以“Enhanced metrology at the critical point of a many-body Rydberg atomic system”爲題發表在國際知名學術期刊《Nature Physics》上。

發展現代化先進量子測量體系具有重要的研究意義，它既是國家重大需求，又符合國際化發展潮流。由於裡德堡原子具有較大的電偶極矩，可以對微弱的電場產生很強的響應，因此已經成爲一個非常有前景的微波測量的量子體系。另一方面，由於裡德堡原子之間具有長程強相互作用，常被用於模擬研究強關聯繫統以及相變。強關聯繫統在臨界點附近對外界擾動更加敏感，可以被應用於量子精密測量領域。雖然有大量理論報道利用強關聯繫統的臨界狀態去做量子傳感，從理論被提出來十幾年後，但在實驗上一直未能成功實現。主要原因是：多體系統相變過程難製備、臨界點的外場調控技術欠缺等。

近年來，史保森、丁冬生領導的科研團隊利用裡德堡原子體系，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。在本工作中，團隊發展了裡德堡原子臨界點與微波電場的耦合技術。基於室溫銣原子體系，利用多體系統相變點對於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。如圖1所示，多體系統中的原子透射譜在相變點附近變得更加陡峭，相當於一把頻域上刻度更細的尺子，因此對於微波測量具有更高的精度。陡峭的譜線是由在相變發生時，系統從一個態跳到另一個態的突變過程產生的。

圖1 第一行爲少體無相變時的能級圖(a)，電磁誘導透明透射譜曲線(b)，第二行爲多體情況下的能級圖，透射譜曲線。多體相對於少體，在上能級分佈上具有加寬的現象，透射譜在臨界點附近更加陡峭，相當於一把頻域上刻度更加細的尺子，因此可以更高精度地測量微波電場。

團隊利用Fisher information來衡量精度，如圖2所示。實驗表明，相比於少體無相變的情況，多體系統在臨界點的Fisher information具有顯著提高，提高了三個數量級。對應於測量精度提升至少一個量級，並且隨測量時間的增加而增加，呈現指數增長的趨勢。在單體情況下，系統靈敏度約爲3.1 μV/cm/Hz^0.5，而在多體情況下，系統對於微波電場的測量靈敏度爲49nV/cm/Hz^0.5，提高了60多倍。

圖2 實驗中不同測量時間下多體與少體透射譜的對比。多體透射譜臨界點附近斜率隨測量時間增長顯著，快於線性增長，而少體情況，譜線變化不明顯。

該工作得到了審稿人的高度評價：“該實驗真正具有開創性，具有重大的潛在影響，因爲它爲開發基於強相互作用多體系統的新一代量子傳感器打開了大門。”，“49 nV/cm/sqrt(Hz)的靈敏度令人印象深刻，很好地表明瞭這種方法在計量方面的潛在應用。” (“This experiment is truly groundbreaking with significant potential impact as it opens the gate for developing a new generation of quantum sensors based on strongly interacting many-body systems.”, “The stated sensitivity of 49 nV/cm/sqrt(Hz) is very impressive, and is a good indication of the potential applications of this method for metrology.”)

中科院量子信息重點實驗室丁冬生教授與博士研究生劉宗凱爲本文的共同第一作者，丁冬生教授、史保森教授、丹麥奧爾胡斯大學的Klaus Mølmer教授和英國杜倫大學的Charles S. Adams教授爲本文的共同通訊作者。該成果得到了科技部、基金委、中科院、安徽省重大科技專項以及中國科學技術大學的資助。

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https://www.nature.com/articles/s41567-022-01777-8