中国科大在冷里德堡原子气体中实现了超越标准量子极限的微波测量

　　中国科年夜郭光灿院士团队史保森、丁冬生研究组正在冷里德堡原子气体中哄骗迟滞轨迹的翻转对微波场的敏感相应，完成了超出尺度量子极限的微波丈量，相干结果1月12日以“Quantum enhanced metrology based on flipping trajectory of cold Rydberg gases”为题颁发正在《天然·通信》上。

　　因为里德堡原子具备较年夜的电偶极矩，可以对强劲的电场发生很强的相应，是以作为一个很是有远景的微波丈量系统备受人们的青眼，正在学术界以及工业界取患了飞快成长。例如，美国陆军试验室完成了-145dBm/Hz的活络度，成长了基于里德堡原子的全频谱探测技能。只管云云，基于里德堡原子的微波丈量范畴还存正在许多迷信问题有待解决，此中怎样完成超高活络度的微波探测成了人们研究的热门。

　　图1: (a) 原子能级图。(b)折叠迟滞轨迹以及原子系综示用意。(c) 探测光正向以及反向扫描历程中里德堡态的结构差。

　　最近几年来，史保森、丁冬生研究组哄骗冷里德堡原子系统，聚焦量子摹拟以及量子紧密丈量迷信研究，已取患了系列重要进展。正在本事情中，团队基于冷原子系统,哄骗里德堡多系统统中交叠的迟滞轨迹完成了量子加强传感。正在先前事情的根蒂根基上[Nat. Co妹妹un. 16, 3511 (2025)]，研究职员进一步正在该体系中引入微波场，发明微波场的变迁会使迟滞轨迹产生较着的交叠以及翻转。此中迟滞轨迹因为能隙闭合点的泛起而产生交叠，且能隙闭合点（怪异点）随微波场的变迁发生非线性的相界限，是以追踪怪异点随微波场的变迁可完成微波丈量。试验中经由过程调控里德堡多系统统的彼此作用转变相界限的平缓水平，完成1.6(5)nV/cm/Hz^1/2(-208.4±2.7dBm/Hz)的高活络度，超出了尺度量子极限。

　　图2：(a)能隙相图的实践摹拟。(a₁)Liouvillian能谱以及(a2)Liouvillian怪异点。(b)丈量的迟滞轨迹变迁相图。(c)轨迹交叠区域可别离透射谱。(d)-(f)丈量的迟滞轨迹。

　　实践上，研究团队发明四能级里德堡原子体系存正在粒子-空穴对称性，能隙闭合点(怪异点)的泛起打破了对称性，将相图分别为对称以及对称破缺相，此中由怪异点造成的相界限揭示出对外场的非线性相应，如图2(a)所示。试验华夏子间的彼此作用惹起的耗散随探测光强度以及微波场的变迁招致系列迟滞回线的泛起。迟滞轨迹随微波场的变迁履历了三个历程：顺时针→折叠→逆时针[图2(d)-(f)]。正在轨迹交叠区域，迟滞轨迹交点处的透射谱彻底别离，可以完成高活络度的微波探测。经由过程丈量相界限随微波场幅度的变迁[图3(a)-(h)]，可得到体系的活络度。这项事情从多体非厄米实践到量子加强试验的完成，为量子范畴的紧密丈量供给了新路子。

　　图3：(a)-(c)相界限随原子OD的变迁。(d)相界限的歪率随原子OD的变迁。(e)-(g)轨迹交点相近透射谱及没有肯定度。(h)体系活络度随原子OD的变迁及尺度量子极限(SQL)。

　　该事情获得了审稿人的高度评估：“这项极具价值且极具时效性的试验，其影响可从两个维度考量：(i) 揭示量子体系正在计量使用中的壮大效力；（ii）试验观测到能隙闭合点与活络度晋升之间的联系关系。” (“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.”)

　　中国科年夜博士研究生王雅君、张俊以及张正源为本文的配合第一作者，丁冬生传授，张力华博士后以及刘邦博士后为本文的配合通信作者。该结果获得了科技部、基金委和中国迷信技能年夜学的赞助。

　　文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-67921-z