中國科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在基于里德堡原子的微波傳感方向取得新進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)項(xiàng)國勇、鄒長鈴等人研制出一種新型的噪聲魯棒且可實(shí)現(xiàn)連續(xù)探測(cè)的里德堡原子微波探測(cè)裝置，利用了里德堡原子系綜里多體效應(yīng)引起的強(qiáng)相互作用，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)微波背景噪聲下待探測(cè)弱信號(hào)的顯著增強(qiáng)和信噪比提升。該成果以“Nonlinearity-enhanced continuous microwave detection based on stochastic resonance”為題，10月11日發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)進(jìn)展》上。
 

噪聲增強(qiáng)的非線性微波傳感
 

　　相較于傳統(tǒng)的微波天線技術(shù)，基于里德堡原子的微波傳感由于其高靈敏度、尺寸小、高選擇性、頻譜覆蓋寬等優(yōu)勢(shì)，近年來得到了學(xué)術(shù)界廣泛的關(guān)注。然而到目前為止，大量的研究工作只是在實(shí)驗(yàn)室無噪聲或者噪聲水平很低的情況下進(jìn)行微波測(cè)量或者通信，面對(duì)外場(chǎng)條件下復(fù)雜的噪聲環(huán)境和電磁干擾，其測(cè)量效果和靈敏度都會(huì)大打折扣。因此，發(fā)展在抗干擾性能上具有實(shí)用化潛力的原子微波接收機(jī)是里德堡微波傳感領(lǐng)域的急切需求。
 

　　在前期基于里德堡原子微波傳感的研究基礎(chǔ)上，項(xiàng)國勇等人結(jié)合基于隨機(jī)共振理論和里德堡原子系綜里的多體效應(yīng)產(chǎn)生的強(qiáng)非線性提出了噪聲增強(qiáng)的微波測(cè)量方案。研究人員通過系綜里的多體效應(yīng)引入強(qiáng)非線性產(chǎn)生雙穩(wěn)現(xiàn)象，并利用一個(gè)很強(qiáng)的噪聲微波場(chǎng)進(jìn)行輔助，實(shí)現(xiàn)了對(duì)另一個(gè)弱探測(cè)信號(hào)的放大。相較于工作在線性區(qū)域的外差探測(cè)法，研究人員實(shí)現(xiàn)了25dB的功率值放大和6.6dB的信噪比提升。值得一提的是，這類新型非線性原子微波傳感器具有很多優(yōu)勢(shì)：(1)非線性可調(diào)：操作人員可以通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)改變系統(tǒng)的非線性大小，適應(yīng)不同類型的噪聲環(huán)境。(2)噪聲魯棒：噪聲可以通過人工引入或者僅僅利用系統(tǒng)噪聲進(jìn)行信號(hào)放大；并且噪聲形式可為隨機(jī)白色噪聲或者有色噪聲。(3)可連續(xù)測(cè)量：該微波接收機(jī)工作于系統(tǒng)臨界點(diǎn)附近，且可持續(xù)進(jìn)行微波測(cè)量。(4)兼容性好：該方案可兼容目前任意一種原子微波測(cè)量或者通信方案。另外，研發(fā)人員正在對(duì)該類新型微波傳感器進(jìn)行進(jìn)一步升級(jí)和改造：比如可通過提升原子-微波相互作用體積來提升絕對(duì)靈敏度，通過引入多能級(jí)協(xié)助提升信號(hào)接收帶寬等。該方案在多種場(chǎng)合下具有應(yīng)用潛力：比如基于里德堡原子的微弱信號(hào)檢測(cè)，噪聲背景下的微波通信以及微波成像等。
 

　　中國科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)國勇教授和鄒長鈴教授為本文通訊作者，吳康達(dá)副教授和博士研究生謝崇武為共同第一作者。此項(xiàng)研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目等經(jīng)費(fèi)支持。(中國科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、物理學(xué)院、中國科學(xué)院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部)