量子电子学报杂志

量子电子学报杂志2025年第4期

• 基于光晶格原子钟的量子精密测量 (特邀, 封面文章）

  卢晓同,常宏,

  光晶格原子钟凭借其超高频率分辨的钟跃迁探测、极高的频率稳定度和准确度、光频域的钟跃迁、纯净的原子初态制备和超长的量子态相干操控时间等特点, 在量子精密测量领域发挥着重要作用。利用光晶格原子钟钟跃迁频率对电场、磁场、温度和重力加速度等物理量敏感的特点, 可以通过设计实验来定量确定待测物理量与钟跃迁频率以及跃迁速率的关系, 并结合相关理论推导出待测量。本文综述了光晶格原子钟在量子精密测量方面的典型应用, 包括时间频率测量、广义相对论的检验、基本物理常数随时间变化的测量和原子物理研究等。

• 基于量子纠缠光源的椭圆偏振测量技术研究进展 (特邀)

  牛素俭解孟雨周志远史保森

  椭圆偏振测量仪 (以下简称偏振仪) 是用于测量样品光学性质的重要工具, 在物理、化学、材料科学等诸多领域都有着广泛的应用, 其通过精确测量偏振光在经过样品前后偏振态的变化, 并结合特定的理论模型, 达到准确评估样品多种光学性质的目的。当前, 将新型光源应用到椭圆偏振测量技术中, 以提升偏振仪的性能并拓展其应用范围, 是相关研究领域的热点之一。而量子纠缠光源因其具有突破散粒噪声理论极限的潜能、极低光强下的抗噪能力以及非局域操控等特性, 在量子精密测量领域得到广泛关注。近年来, 人们日趋关注基于量子光源与椭圆偏振测量技术相结合的量子偏振仪的原理和应用研究。本文首先回顾了经典偏振仪的工作原理和类型, 在此基础上, 重点介绍了量子偏振仪的基本原理和研究进展, 并展望了量子偏振仪的未来发展方向。

• 反馈控制增强的量子多参数估计研究 (特邀)

  杨玉,张沛,李福利,

  以量子参数估计为理论基础的量子精密测量技术, 凭借其超越标准量子极限的探测优势, 获得了广泛关注。很多应用场景往往涉及到对多个物理量的同时精确探测, 但由于多个待估计参数的生成元通常不对易, 这会使多个参数的估计精度相互制衡, 最终导致多参数同时最优估计的目标难以实现。不同于制备大尺度纠缠态、压缩态或设计复杂量子测量方案等经典方法, 近年来, 研究者们从优化量子动力学的角度入手, 通过在每组分动力学系统中添加量子控制的方式来调控量子态的演化。该类方法可以实现同时最优估计多个参数, 可以克服多参数精度相互制衡的问题。本文对基于反馈控制的该类量子多参数估计方法进行了总结, 从多个角度阐述了反馈控制对多参数同时最优估计的提升作用, 展现了该技术在实际应用中的潜力, 最后总结并展望了量子多参数估计的未来研究趋势。

• 基于里德堡原子的通信技术 (特邀)

  肖圣贤,张加宸,汪涛,张学锋

  基于里德堡原子的电场测量技术在灵敏度、工作频段、可溯源性和抗干扰性等方面有着显著的优势, 有望取代无线电通信技术中的传统天线。近年来, 利用里德堡原子的传感和通信技术发展迅速。基于里德堡原子开展电场测量依据的基本原理为电磁诱导透明 (EIT), 通过测量EIT光谱对载波信号的实时响应, 里德堡原子不用解调就可以恢复基带信号。本文综述了基于里德堡原子天线的通信技术在实验中取得的进展, 其中包括该天线对调幅和调频信号的还原能力、以及对载波相位的测量工作; 还讨论了影响里德堡原子天线信道容量、瞬时带宽和灵敏度的主要因素; 最后, 对该技术的发展方向作出了展望。

• 基于里德堡原子单体和多体系统的电场测量

  宋晓云,陈雪花,贾春阳,丛楠,杨仁福

  基于里德堡原子的电场测量, 凭借其高灵敏度、大动态范围、宽频谱覆盖等特性, 在电磁计量、频谱感知、雷电监测等领域具有广泛的应用前景, 并有望成为下一代电磁信号接收的重要手段。随着理论和实验的不断发展, 基于里德堡原子的电场测量灵敏度正逐渐逼近量子噪声极限。本文概述了里德堡原子电场测量原理，综述了近年来里德堡原子的单体和多体电场测量方面的研究进展。到目前为止, 研究人员在电磁诱导透明和Autler-Townes (AT) 分裂的基础上不断优化电场测量技术, 采用零差法、超外差技术、重泵浦以及六波混频等方案, 将单体系统下的电场测量灵敏度提高到3.98 nV⋅cm−1⋅Hz−1/2, 相位测量灵敏度达到2 mrad。除单体系统外, 基于里德堡原子的多体系统在相变点的临界性也被应用于电场测量, 其测量灵敏度用Fisher信息表示, 最新研究表明采用腔增强光学双稳态、随机噪声共振增强等方法可将基于多体的电场测量灵敏度提高6.6 dB, 且对外界噪声具有鲁棒性。

• 原子剪切干涉仪中探测系统倾角测量及其引入误差评估

  庞宇轩,周璐,闫思彤,蒋俊杰,何川,徐润东,张保成,周林,王谨,詹明生,

  原子剪切干涉技术是近年来快速发展起来的一种原子物质波干涉测量技术, 由于具有高精度、实时测量等特点, 因此在基础物理和应用技术等领域逐渐受到关注。在利用原子剪切干涉仪进行高精度测量时, 探测系统的倾角是系统误差的重要来源之一。围绕这一问题, 本文首先进行了理论分析, 评估了探测系统倾角对原子干涉仪测量性能的影响; 随后, 分别采用铅垂线测量法和原子干涉相移测量法对处于系统安装和测量阶段的原子剪切干涉仪进行了倾角测量。在铅垂线测量法中, 其倾角测量分辨率为0.6 mrad, 考虑各类误差的影响, 整体测量精度在1~2 mrad左右。在原子干涉相移测量法中, 针对不同类型的原子剪切干涉仪, 分别采用不同的原子干涉相移参考体系对探测系统的倾角进行了测量: 针对用于重力、重力梯度、转动测量的单组分原子干涉仪, 提出并实现了同步双内态探测的原子干涉相移测量法, 其倾角测量分辨率为0.3 mrad, 可使倾角对重力测量的影响降低到10−10 g水平; 针对用于等效原理检验的双组分原子干涉仪, 提出并实现了可进行实时监测的交替探测原子干涉相移测量法, 其倾角测量分辨率为0.3 mrad , 可满足10−13 g水平的差分重力测量分辨率需求。本文采用的研究方法将为解决原子剪切干涉仪中探测系统倾角导致的系统误差问题提供重要参考。

• 纳米光纤冷原子系统中光场二阶光子关联的测量 (特邀)

  秦伟,丁腾龙,蒋源,苏殿强,姬中华,郭龑强,赵延霆,

  二阶光子关联在光场量子统计特性表征中发挥着基础且重要的作用。本文研究分析了冷原子辐射荧光与纳米光纤波导模式耦合的光子关联特性, 实验探究了冷原子体系中原子数目对高效耦合至纳米光纤中辐射荧光二阶光子关联的影响。对单端和双端纳米光纤出射荧光的二阶光子关联的研究结果表明, 通过调控冷原子体系中的原子数目, 可以观察到单端二阶光子关联特性从聚束到反聚束的变化, 而双端二阶光子关联特性始终保持着反聚束的特征。本工作揭示了冷原子与纳米光纤相互作用辐射光场的高阶光子关联特性, 并为发展冷原子全光纤量子信息平台提供了实验基础。

• 基于量子点掺杂聚合物光纤的温度传感研究 (特邀)

  许汪洋,杨同坤,李良晔,李豪,孙琪真,

  本研究提出了一种有机无机杂化钙钛矿量子点掺杂的聚合物光纤, 用于高保形交互场景中快速灵敏的温度感知。该聚合物光纤用高折射率聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 封装甲基铵三溴化铅 (MAPbBr3) 作为纤芯以增强MAPbBr3量子点的稳定性, 同时以低折射率PDMS作为包层来提高传感器光致荧光收集效率。实验结果表明: 聚合物光纤的直径可达1120 µm, 断裂应变超过150%, 机械强度超过2.84 MPa, 具备小型化和可拉伸的特点; 该传感器利用MAPbBr3量子点的荧光淬灭效率对温度的依赖性, 在25 ℃~85 ℃范围内表现出−1.314%℃−1的温度灵敏度, 响应时间仅为4.5 s; 最后开展了人体不同部位体温检测研究, 成功验证了该传感器快速灵敏感知温度变化的能力。研究结果为后续实现一种低成本、易于制备、实时监测人体体温的可穿戴设备提供了一定的基础。

• 基于单光子探测器阵列的抗噪声频域成像研究 (特邀)

  陆茂霖,白妙青,秦成兵,

  单光子探测器阵列因其单光子极限探测灵敏度和多像元特性, 被广泛应用于单光子雷达、生物荧光成像等领域。然而, 受限于制备工艺, 像元间探测效率存在差异, 常常导致单光子探测器阵列成像发生畸变。本工作通过独立调控每个单光子探测器的反向偏置电压, 实现了对 4 × 4 探测器阵列探测效率的优化, 将平均探测效率提高了1.77倍, 差异性缩小为调节前的1/7。在此基础上, 通过对每个单光子探测器光子到达时间进行傅里叶变换, 发展了频域成像方案, 该方案即使在背景噪声为信号强度的104倍的条件下, 依然能够实现较好的频域成像效果, 且对比信噪比达到2.29。本工作为基于单光子探测器阵列实现复杂环境下微弱光信号的探测提供了新的思路。

• 基于里德堡原子的超外差宽带频谱测量设计与实现 (特邀)

  韩顺利,刘贵祥,柴继旺,张映昀,柳扬

  量子传感器是理想的电磁频谱探测媒介, 有望突破传统频谱测量在响应带宽与测量灵敏度上的限制, 具有广阔的应用前景。本文提出了一种基于原子混频机理的超宽带连续频谱测量系统, 重点分析了非谐振区域内本振射频场对差频信号信噪比的影响。利用原子非谐振超外差技术, 在每个里德堡态上实现了一定频宽的电磁波频谱测量, 并通过快速调谐本振射频场和耦合光波长, 实现对跨微波 (1～40 GHz) 和太赫兹波 (110～170 GHz) 两个频段电磁频谱的连续测量, 谐振区域最小可测量场强值为0.32 μV/cm, 非谐振区域40 GHz处最小可测量场强为2.34 μV/cm, 动态范围超过70 dB, 频率分辨率≤10 Hz。本工作实验验证了基于里德堡原子的量子传感器具有全频带、高灵敏度电磁频谱响应特性, 为高灵敏度原子频谱仪的研制奠定了研究基础。

• 基于里德堡原子的电晕放电信号测量 (特邀)

  袁昊,罗兵,陈建君,陈震,杨文广,张好,张临杰,张豪峰

  局部放电 (PD) 是指未形成连接或桥接的两电极间发生局部放电的物理场景, PD 现象持续作用会极大地缩短设备的使用寿命, 因此监测 PD 信号并识别其放电类型具有重要意义。传统的 PD 信号测量方法受限于天线本身的金属材质以及尺寸, 在变电站开关柜等应用场景中难以实现内部近距离探测, 限制了测量灵敏度的提升。本文提出了一种基于里德堡原子的 PD 信号测量方法, 可以实现非金属近距离内部高灵敏探测。实验中选择PD最为常见的一种类型—电晕放电进行模块的制备与测量。首先, 通过双光子激发将铯原子激发到里德堡态; 然后, 基于里德堡原子的交流斯塔克效应对电晕放电信号进行测量; 最后, 使用局部放电相位分辨图对测量结果进行分析, 得到电晕放电的相位分布特征以及放电脉冲的分布情况。

• 用于里德堡原子电场测量的饱和吸收谱 频率定标方法

  丁超#,肖冬萍#,宋宏天,谈竹奎,胡珊珊,张英,陈苓

  在基于里德堡原子的电场精密测量中, 频率定标是解析电磁诱导透明 (EIT) 光谱频移量的关键步骤。微小频移量误差(MHz量级) 在测量中会导致场强反演计算结果变化显著, 若频率定标精度不足将导致电场反演误差的非线性放大。本文提出了一种基于铯原子D2线饱和吸收谱的频率定标方法, 通过设计反向传播泵浦-探测光路, 捕获了铯原子6S1/2→6P3/2跃迁的6个特征吸收谱峰, 以原子固有跃迁频率为基准构建时间-频率转换模型。实验结果表明, 采用该方法得到的频率测量误差保持在1%以内, 并通过多峰协同定标获得频率定标系数。进一步将其应用于基于里德堡原子EIT-Stark效应的电场测量, 分析得到外电场引起的频移量与场强之间的二次方关系拟合精度达0.997, 测量误差低于0.74%。相较于传统单峰定标方案, 本方案利用多峰协同定标策略, 提升了复杂噪声环境下的抗干扰能力与定标效率。

• 基于离散正弦波调频的 CPT 原子钟 微波调制方法

  黄鹏翔,廉吉庆,祝诚勇,李理敏,潘多,陈景标,

  传统二进制频移键控 (2FSK) 调制的微波信号存在频谱边带展宽的问题, 这会间接影响各个光频成分对碱金属原子跃迁的作用, 进而限制相干布居囚禁 (CPT) 原子钟的守时性能。本文通过分析不同调制方式的微波信号对原子吸收线型和鉴频信号的影响, 提出了一种基于离散正弦波调频 (DSWFM) 的微波调制方法, 利用直接数字调制技术实现载波多频率连续切换, 大大降低了频谱的边带宽度。实测结果表明, 相比传统2FSK调制, 基于DSWFM调制下的CPT原子钟在1 s、10 s和100 s平均时间下的频率稳定度分别提升了约17%、36%和48%。