【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊在基于相變的精密測量上取得新進(jìn)展。該團(tuán)隊史保森、丁冬生課題組與丹麥奧爾胡斯大學(xué)的Klaus Mølmer教授和英國杜倫大學(xué)的Charles S. Adams教授合作，利用強(qiáng)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的相變提高了里德堡原子對微波電場測量的精度和靈敏度，相關(guān)成果以“Enhanced metrology at the critical point of a many-body Rydberg atomic system”為題發(fā)表在國際知名學(xué)術(shù)期刊《Nature Physics》上。
 

　　發(fā)展現(xiàn)代化先進(jìn)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(fā)展潮流。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(chǎn)生很強(qiáng)的響應(yīng)，因此已經(jīng)成為一個非常有前景的微波測量的量子體系。另一方面，由于里德堡原子之間具有長程強(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)在臨界點附近對外界擾動更加敏感，可以被應(yīng)用于量子精密測量領(lǐng)域。雖然有大量理論報道利用強(qiáng)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的臨界狀態(tài)去做量子傳感，從理論被提出來十幾年后，但在實驗上一直未能成功實現(xiàn)。主要原因是：多體系統(tǒng)相變過程難制備、臨界點的外場調(diào)控技術(shù)欠缺等。
 

　　近年來，史保森、丁冬生領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊利用里德堡原子體系，聚焦量子模擬和量子精密測量科學(xué)研究，已取得了重要進(jìn)展。在本工作中，團(tuán)隊發(fā)展了里德堡原子臨界點與微波電場的耦合技術(shù)。基于室溫銣原子體系，利用多體系統(tǒng)相變點對于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(tǒng)中的原子透射譜在相變點附近變得更加陡峭，相當(dāng)于一把頻域上刻度更細(xì)的尺子，因此對于微波測量具有更高的精度。陡峭的譜線是由在相變發(fā)生時，系統(tǒng)從一個態(tài)跳到另一個態(tài)的突變過程產(chǎn)生的。
 

　　圖1 第一行為少體無相變時的能級圖(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圖，透射譜曲線。多體相對于少體，在上能級分布上具有加寬的現(xiàn)象，透射譜在臨界點附近更加陡峭，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量微波電場。

 

　　團(tuán)隊利用Fisher information來衡量精度，如圖2所示。實驗表明，相比于少體無相變的情況，多體系統(tǒng)在臨界點的Fisher information具有顯著提高，提高了三個數(shù)量級。對應(yīng)于測量精度提升至少一個量級，并且隨測量時間的增加而增加，呈現(xiàn)指數(shù)增長的趨勢。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)對于微波電場的測量靈敏度為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，快于線性增長，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(chuàng)性，具有重大的潛在影響，因為它為開發(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實驗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以及中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的資助。(中科院量子信息重點實驗室、中科院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、物理學(xué)院、科研部)