近日，中山大學羅樂教授科研團隊，在美國物理聯(lián)合會期刊《應用物理快報》Applied Physics Letters發(fā)表題為“A single-atom mechano-optical transducer for sensing sub-attonewton vector DC force”論文。該論文通過射頻微波-自發(fā)輻射光子關(guān)聯(lián)技術(shù)，利用單個囚禁離子實現(xiàn)了對極微弱直流力的多維度精密傳感，把微弱直流力的測量擴展到仄 （10^-21）牛頓范圍，并實現(xiàn)了多個維度的矢量力傳感。該研究為后續(xù)基于囚禁離子系統(tǒng)研發(fā)高精度的力傳感器提供了理論和實驗的指導。

相關(guān)學術(shù)文章鏈接：A single-atom mechano-optical transducer for sensing sub-attonewton vector DC force: Applied Physics Letters: Vol 121, No 25 (scitation.org)

精確測量物體的受力、加速度等物理量一直是精密測量領(lǐng)域的重要研究課題。隨著測量精度不斷提高，經(jīng)典的力學傳感器已經(jīng)接近其測量極限，使用囚禁原子、離子等量子體系實現(xiàn)高精度和高靈敏度的測量已經(jīng)成為精密測量領(lǐng)域的重點研究課題。近年來，隨著囚禁離子實驗技術(shù)的飛速發(fā)展，囚禁離子不僅在量子計算領(lǐng)域具有巨大的潛力，還在單個囚禁離子的量子操作方面具有高靈敏和高精密的特性，再配上高探測效率的實驗系統(tǒng)，使得囚禁離子在精密測量領(lǐng)域也展現(xiàn)出極大的應用前景。

目前，基于囚禁離子的弱力傳感器，對微弱力的測量靈敏度有望達到10^-24牛頓，但是要達到這一靈敏度，目前的方法大多數(shù)需要對所探測力進行交流調(diào)制，利用鎖相放大等一系列方法來測量交流力的幅度，對未加調(diào)制的直流力進行測量，一直是該領(lǐng)域的一個難點。

近年來，中山大學羅樂教授團隊在囚禁離子量子計算機的研發(fā)和囚禁離子精密測量實驗的研究取得了突破性進展。2021年，團隊首次將神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)應用于囚禁離子量子比特的微運動控制中，實現(xiàn)微運動抑制的自動化處理并達到國際領(lǐng)先水平。此外，在消除離子微運動、完善離子阱系統(tǒng)之后，針對未加調(diào)制的微弱直流電場力難以直接測量這一技術(shù)難題，羅樂教授團隊提出了在囚禁離子系統(tǒng)中，采用“直流力耦合離子內(nèi)稟運動模式、內(nèi)稟運動模式耦合自發(fā)輻射光子”的創(chuàng)新思路，實現(xiàn)了多維度矢量直流力的測量并擴展到仄（10^-21）牛頓測量范圍。

實驗小組通過給刀片阱的不同電極施加不同的微弱電壓，使得離子偏離囚禁穩(wěn)定點，產(chǎn)生微運動，然后使用射頻微波-自發(fā)輻射光子關(guān)聯(lián)技術(shù)對微運動進行測量，建立離子微運動系數(shù)與離子位移、離子所受靜電力之間的數(shù)學關(guān)系，最終得到微弱直流力的大小。實驗方案和流程如下圖1所示：

圖1. 基于囚禁離子微運動的力敏傳感器

(a) 利用機-光轉(zhuǎn)換測量微弱力的基本方案；(b) 利用機-光轉(zhuǎn)換方案進行力學傳感的實驗流程圖；(c) 離子的射頻-光子關(guān)聯(lián)熒光。

囚禁離子測量微弱直流力這項技術(shù)的成功實現(xiàn)對科學研究及工程制造都產(chǎn)生深遠的影響。在科學研究方面，它有助于探測標準模型外的新奇相互作用，例如第五種力；在工程制造方面，它有助于利用囚禁離子工程機研發(fā)高精度測量傳感器，例如重力傳感器、慣性導航儀等，為后續(xù)商用囚禁離子的高精度測量傳感器的研發(fā)奠定堅實的技術(shù)基礎。此外，該技術(shù)還可以與其他科學實驗相結(jié)合，利用囚禁離子工程機實現(xiàn)對重力加速度g、萬有引力常數(shù)G、引力波等物理量的測量，極大地拓展了囚禁離子工程機的應用前景。