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我校郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在基于里德堡原子的無線傳感上取得新進(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)表在美國物理協(xié)會（APS）旗下的應(yīng)用物理期刊Physical Review Applied上。

微波測量在通信、導(dǎo)航、雷達(dá)、以及天文探測領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。里德堡原子具有較大的電偶極矩，它可以對微弱的電場具有很強(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，該研究方向受到廣泛關(guān)注，例如：美國陸軍研究室David H. Meyer等人展示了一個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題，比如可實(shí)時接收信號的帶寬（瞬時帶寬）受限于原子系統(tǒng)到達(dá)穩(wěn)態(tài)的弛豫時間，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，利用里德堡原子對微波的混頻響應(yīng)性質(zhì)，將微波頻率梳信號設(shè)置為本振信號（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頻率測量方案，目前可實(shí)現(xiàn)的實(shí)時響應(yīng)范圍為125 MHz，且有進(jìn)一步提升的空間。此外，如圖2，通過利用不同主量子數(shù)的里德堡態(tài)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對不同中心頻率下具有1kHz調(diào)制帶寬信號的接收。

圖1 (a)原子能級圖。(b)絕對頻率測量的原理圖(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）對于不同中心頻率的1kHz帶寬調(diào)制信號的接收演示。

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微波信號的響應(yīng)范圍，一定程度上彌補(bǔ)了里德堡原子在微波探測中瞬時帶寬窄的不足，實(shí)現(xiàn)在更寬范圍內(nèi)對信號的絕對頻率測量，可以充分發(fā)揮里德堡原子對微波的大響應(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)以及中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的資助。

文章鏈接：https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.18.014033

（中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中科院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）