中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團隊在基于相變的精密測量上取得新進(jìn)展。該團隊史保森、丁冬生課題組與丹麥奧爾胡斯大學(xué)的Klaus M?lmer教授和英國杜倫大學(xué)的Charles S. Adams教授合作，利用強關(guān)聯(lián)系統的相變提高了里德堡原子對微波電場(chǎng)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)展現代化先進(jìn)量子測量體系具有重要的研究意義，它符合時(shí)代發(fā)展需求和國際化發(fā)展潮流，同時(shí)面向國際前沿和國家重大需求。由于里德堡原子具有較大的電偶極矩，可以對微弱的電場(chǎng)產(chǎn)生很強的響應，因此已經(jīng)成為一個(gè)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(cháng)程強相互作用，常被用于模擬研究強關(guān)聯(lián)系統以及相變。強關(guān)聯(lián)系統在臨界點(diǎn)附近對外界擾動(dòng)更加敏感，可以被應用于量子精密測量領(lǐng)域。雖然有大量理論報道利用強關(guān)聯(lián)系統的臨界狀態(tài)去做量子傳感，從理論被提出來(lái)十幾年后，但在實(shí)驗上一直未能成功實(shí)現。主要原因是：多體系統相變過(guò)程難制備、臨界點(diǎn)的外場(chǎng)調控技術(shù)欠缺等。
近年來(lái)，史保森、丁冬生領(lǐng)導的科研團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，團隊發(fā)展了里德堡原子臨界點(diǎn)與微波電場(chǎng)的耦合技術(shù)?；谑覝劂溤芋w系，利用多體系統相變點(diǎn)對于微波擾動(dòng)更加敏感的特點(diǎn)，顯著(zhù)提高了測量微波的精度和靈敏度。如圖1所示，多體系統中的原子透射譜在相變點(diǎn)附近變得更加陡峭，相當于一把頻域上刻度更細的尺子，因此對于微波測量具有更高的精度。陡峭的譜線(xiàn)是由在相變發(fā)生時(shí)，系統從一個(gè)態(tài)跳到另一個(gè)態(tài)的突變過(guò)程產(chǎn)生的。
圖1 第一行為少體無(wú)相變時(shí)的能級圖(a)，電磁誘導透明透射譜曲線(xiàn)(b)，第二行為多體情況下的能級圖，透射譜曲線(xiàn)。多體相對于少體，在上能級分布上具有加寬的現象，透射譜在臨界點(diǎn)附近更加陡峭，相當于一把頻域上刻度更加細的尺子，因此可以更高精度地測量微波電場(chǎng)。
團隊利用Fisher information用來(lái)衡量精度，如圖2所示，實(shí)驗表明，相比于少體無(wú)相變的情況，多體系統在臨界點(diǎn)的Fisher information具有顯著(zhù)提高，提高了三個(gè)數量級。對應于測量精度提升至少一個(gè)量級，并且隨測量時(shí)間的增加而增加，呈現指數增長(cháng)的趨勢。在單體情況下，系統靈敏度約為3.1 μV/cm/Hz^0.5，而在多體情況下，系統對于微波電場(chǎng)的測量靈敏度為49nV/cm/Hz^0.5，提高了60多倍。
圖2 實(shí)驗中不同測量時(shí)間下多體與少體透射譜的對比。多體透射譜臨界點(diǎn)附近斜率隨測量時(shí)間增長(cháng)顯著(zhù)，快于線(xiàn)性增長(cháng)，而少體情況，譜線(xiàn)變化不明顯。
該工作得到了審稿人的高度評價(jià)：「該實(shí)驗真正具有開(kāi)創(chuàng )性，具有重大的潛在影響，因為它為開(kāi)發(fā)基于強相互作用多體系統的新一代量子傳感器打開(kāi)了大門(mén)?！?，「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(diǎn)實(shí)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 M?lmer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(zhuān)項、合肥國家實(shí)驗室以及中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的資助。
