帖子
勛章
關(guān)注
任務(wù)
加油，中國(guó)科研。
中國(guó)科大首次實(shí)現(xiàn)基于里德堡原子臨界增強(qiáng)的高靈敏微波傳感 發(fā)展現(xiàn)代化先進(jìn)量子測(cè)量體系具有重要的研究意義，它既是國(guó)家重大需求，又符合國(guó)際化發(fā)展潮流。由于里德堡原子具有較大的電偶極矩，可以對(duì)微弱的電場(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)量的量子體系。另一方面，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，從理論被提出來(lái)十幾年后，但在實(shí)驗(yàn)上一直未能成功實(shí)現(xiàn)。主要原因是：多體系統(tǒng)相變過(guò)程難制備、臨界點(diǎn)的外場(chǎng)調(diào)控技術(shù)欠缺等。 近年來(lái)，史保森、丁冬生領(lǐng)導(dǎo)的科研團(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。在本工作中，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)�；谑覝劂溤芋w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。如圖1所示，多體系統(tǒng)中的原子透射譜在相變點(diǎn)附近變得更加陡峭，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。陡峭的譜線是由在相變發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)從一個(gè)態(tài)跳到另一個(gè)態(tài)的突變過(guò)程產(chǎn)生的。  圖1.第一行為少體無(wú)相變時(shí)的能級(jí)圖(a)，電磁誘導(dǎo)透明透射譜曲線(b)，第二行為多體情況下的能級(jí)圖，透射譜曲線。多體相對(duì)于少體，在上能級(jí)分布上具有加寬的現(xiàn)象，透射譜在臨界點(diǎn)附近更加陡峭，相當(dāng)于一把頻域上刻度更加細(xì)的尺子，因此可以更高精度地測(cè)量微波電場(chǎng)。 團(tuán)隊(duì)利用Fisher information來(lái)衡量精度，如圖2所示。實(shí)驗(yàn)表明，相比于少體無(wú)相變的情況，多體系統(tǒng)在臨界點(diǎn)的Fisher information具有顯著提高，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)。在單體情況下，系統(tǒng)靈敏度約為3.1 μV/cm/Hz^0.5，而在多體情況下，系統(tǒng)對(duì)于微波電場(chǎng)的測(cè)量靈敏度為49nV/cm/Hz^0.5，提高了60多倍。  圖2.實(shí)驗(yàn)中不同測(cè)量時(shí)間下多體與少體透射譜的對(duì)比。多體透射譜臨界點(diǎn)附近斜率隨測(cè)量時(shí)間增長(zhǎng)顯著，快于線性增長(zhǎng)，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(píng)價(jià)：“該實(shí)驗(yàn)真正具有開(kāi)創(chuàng)性，具有重大的潛在影響，因?yàn)樗鼮殚_(kāi)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(kāi)了大門。”，“49 nV/cm/sqrt(Hz)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。” (“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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室丁冬生教授與博士研究生劉宗凱為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(xué)的Klaus Mølmer教授和英國(guó)杜倫大學(xué)的Charles S. Adams教授為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(xiàng)以及中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的資助。 文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41567-022-01777-8 |