【儀表網 研發快訊】中國科大郭光燦院士團隊史保森、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對微波場的敏感響應，實現了超越標準量子極限的微波測量，相關成果1月12日以“Quantum enhanced metrology based on flipping trajectory of cold Rydberg gases”為題發表在《自然·通訊》上。
 

　　由于里德堡原子具有較大的電偶極矩，可以對微弱的電場產生很強的響應，因此作為一個非常有前景的微波測量體系備受人們的青睞，在學術界和產業界取得了飛速發展。例如，美國陸軍實驗室實現了-145dBm/Hz的靈敏度，發展了基于里德堡原子的全頻譜探測技術。盡管如此，基于里德堡原子的微波測量領域還存在很多科學問題有待解決，其中如何實現超高靈敏度的微波探測成為了人們研究的熱點。
 

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

　　近年來，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量科學研究，已取得了系列重要進展。在本工作中，團隊基于冷原子體系,利用里德堡多體系統中交疊的遲滯軌跡實現了量子增強傳感。在先前工作的基礎上[Nat. Commun. 16, 3511 (2025)]，研究人員進一步在該系統中引入微波場，發現微波場的變化會使遲滯軌跡發生明顯的交疊和翻轉。其中遲滯軌跡由于能隙閉合點的出現而發生交疊，且能隙閉合點(奇異點)隨微波場的變化產生非線性的相邊界，因此追蹤奇異點隨微波場的變化可實現微波測量。實驗中通過調控里德堡多體系統的相互作用改變相邊界的陡峭程度，實現1.6(5)nV/cm/Hz1/2(-208.4±2.7dBm/Hz)的高靈敏度，超越了標準量子極限。
 

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

　　理論上，研究團隊發現四能級里德堡原子系統存在粒子-空穴對稱性，能隙閉合點(奇異點)的出現打破了對稱性，將相圖劃分為對稱和對稱破缺相，其中由奇異點形成的相邊界展現出對外場的非線性響應，如圖2(a)所示。實驗中原子間的相互作用引起的耗散隨探測光強度和微波場的變化導致系列遲滯回線的出現。遲滯軌跡隨微波場的變化經歷了三個過程：順時針→折疊→逆時針[圖2(d)-(f)]。在軌跡交疊區域，遲滯軌跡交點處的透射譜完全分離，可以實現高靈敏度的微波探測。通過測量相邊界隨微波場幅度的變化[圖3(a)-(h)]，可獲得系統的靈敏度。這項工作從多體非厄米理論到量子增強實驗的實現，為量子領域的精密測量提供了新途徑。
 

　　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)軌跡交點附近透射譜及不確定度。(h)系統靈敏度隨原子OD的變化及標準量子極限(SQL)。
 

　　該工作得到了審稿人的高度評價：“這項極具價值且極具時效性的實驗，其影響可從兩個維度考量：(i) 展現量子系統在計量應用中的強大效能；(ii)實驗觀測到能隙閉合點與靈敏度提升之間的關聯。” (“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、基金委以及中國科學技術大學的資助。
 

　　(量子網絡安徽省重點實驗室、物理學院、中國科學院量子信息和量子科技創新研究院、科研部)