中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在基于里德堡原子的無(wú)線傳感上取得新進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)史保森、丁冬生課題組實(shí)現(xiàn)了一種基于里德堡原子的微波頻率梳譜儀，在寬帶微波的探測(cè)領(lǐng)域具有應(yīng)用前景，相關(guān)成果7月14日以“Rydberg microwave frequency comb spectrometer”為題發(fā)表在美國(guó)物理協(xié)會(huì)（APS）旗下的應(yīng)用物理期刊Physical Review Applied上。

微波測(cè)量在通信、導(dǎo)航、雷達(dá)、以及天文探測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。里德堡原子具有較大的電偶極矩，它可以對(duì)微弱的電場(chǎng)具有很強(qiáng)的響應(yīng)，因此可以用里德堡原子作為微波傳感器。近年來(lái)，該研究方向受到廣泛關(guān)注，例如：美國(guó)陸軍研究室David H. Meyer等人展示了一個(gè)基于熱里德堡原子與平面微波波導(dǎo)耦合的原子射頻接收器和頻譜分析儀[Physical Review Applied 15, 014047 (2021)]。盡管里德堡原子傳感研究取得了重要進(jìn)展，但仍然存在一些亟待解決的問(wèn)題，比如可實(shí)時(shí)接收信號(hào)的帶寬（瞬時(shí)帶寬）受限于原子系統(tǒng)到達(dá)穩(wěn)態(tài)的弛豫時(shí)間，通常只有幾MHz，嚴(yán)重影響了該體系的實(shí)用化進(jìn)程。

在本工作中，研究團(tuán)隊(duì)基于室溫銫原子體系，利用里德堡原子對(duì)微波的混頻響應(yīng)性質(zhì)，將微波頻率梳信號(hào)設(shè)置為本振信號(hào)（如圖1所示），演示了基于里德堡微波頻率梳譜儀的微波絕對(duì)頻率測(cè)量方案，目前可實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)響應(yīng)范圍為125 MHz，且有進(jìn)一步提升的空間。此外，如圖2，通過(guò)利用不同主量子數(shù)的里德堡態(tài)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同中心頻率下具有1kHz調(diào)制帶寬信號(hào)的接收。

圖1. (a) 原子能級(jí)圖 (b) 絕對(duì)頻率測(cè)量的原理圖 (c) 為實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖2. 不同里德堡態(tài)（主量子數(shù)n不同）對(duì)于不同中心頻率的1kHz帶寬調(diào)制信號(hào)的接收演示。

這項(xiàng)工作的創(chuàng)新之處在于利用微波頻率梳拓寬了里德堡原子對(duì)微波信號(hào)的響應(yīng)范圍，一定程度上彌補(bǔ)了里德堡原子在微波探測(cè)中瞬時(shí)帶寬窄的不足，實(shí)現(xiàn)在更寬范圍內(nèi)對(duì)信號(hào)的絕對(duì)頻率測(cè)量，可以充分發(fā)揮里德堡原子對(duì)微波的大響應(yīng)帶寬和高靈敏度的特性。此外，該方法也可有效接收相位信息，有望應(yīng)用于微波通信和測(cè)量等領(lǐng)域。

中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生張力華為本文的第一作者，丁冬生教授、史保森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。

編輯：黃飛

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