中國科學(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低頻射頻電場(chǎng)測(cè)量上取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)史保森、丁冬生課題組利用非共振外差方法實(shí)現(xiàn)了基于里德堡原子的低頻射頻電場(chǎng)精密探測(cè)，相關(guān)成果以“Highly sensitive measurement of a MHz RF electric field with a Rydberg atom sensor”為題發(fā)表在國際應(yīng)用物理期刊《Physical Review Applied》上。

里德堡原子由于其較大的電偶極矩和極化率等獨(dú)特性質(zhì)，在微波測(cè)量領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力。基于里德堡原子的量子傳感器在測(cè)量精度﹑抗干擾性以及可朔源等方面有望超越傳統(tǒng)微波接收系統(tǒng)，因此該研究方向受到廣泛關(guān)注，例如：美國陸軍研究室、桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室等開展了相關(guān)研究，并取得了重要進(jìn)展[Physical Review Applied 13, 054034 (2020)，Physical Review Applied 15, 014047 (2021)]。盡管里德堡原子傳感器在GHz高頻微波頻段探測(cè)取得了重要進(jìn)展，但在MHz附近的低頻波段卻遇到困難，測(cè)量靈敏度較低，其主要原因在于低頻電場(chǎng)與里德堡原子之間的耦合是一種弱的非共振相互作用，受限于光譜測(cè)量分辨率，人們難以測(cè)量微弱微波電場(chǎng)造成的擾動(dòng)，這就限制了里德堡原子微波測(cè)量向低頻波段的擴(kuò)展。

在本工作中，研究團(tuán)隊(duì)基于AC Stark效應(yīng)和非共振外差技術(shù)，通過引入一個(gè)本地振蕩電場(chǎng)來放大系統(tǒng)對(duì)微弱信號(hào)電場(chǎng)的響應(yīng)，最后通過測(cè)量探測(cè)光的電磁誘導(dǎo)透明光譜得到信號(hào)電場(chǎng)的強(qiáng)度。研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)30-MHz微波電場(chǎng)(波長近10米)的高靈敏度測(cè)量，最小電場(chǎng)強(qiáng)度為37.3µV/cm，靈敏度為−65 dBm/Hz，動(dòng)態(tài)范圍超過65 dB。此外，研究團(tuán)隊(duì)還演示了1 kHz振幅調(diào)制（AM）信號(hào)的傳輸和接收：通過對(duì)探測(cè)光束信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，并分別方波和正弦波調(diào)制下提取初始調(diào)制信息，保真度均達(dá)到98%。

圖1 (a)里德堡態(tài)激發(fā) (b)傳感器示意圖

圖2 (a)系統(tǒng)靈敏度 (b)和(c)AM解調(diào)信號(hào)演示

這項(xiàng)工作提高了MHz電場(chǎng)的原子傳感器靈敏度，有助于原子電場(chǎng)傳感技術(shù)的發(fā)展。該工作對(duì)里德堡原子傳感器的在其他領(lǐng)域的應(yīng)用，如遠(yuǎn)程通信、超視距雷達(dá)和射頻識(shí)別（RFID）也有參考價(jià)值。

中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室碩士研究生劉邦為本文的第一作者，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.18.014045