“光譜”十年磨利劍 微波測量登高峰

由教育部科技委組織評選的2020年度“中國高等學校十大科技進展”近日揭曉，山西大學激光光譜研究所賈鎖堂教授研究團隊的科技成果“基于里德堡原子的微波電場精密測量”入選。這也是山西省內高校首次獲此殊榮。該團隊創新性提出的基于里德堡原子體系的微波超外差測量方法，實現了目前國際上最為靈敏的，可溯源至國際標準單位制的微波相敏測試。

顛覆傳統?突破極限

3月17日，科學導報記者跟隨研究團隊成員走進山西大學激光光譜研究所實驗室，一扇厚厚的大門緩緩打開時，記者感受到似乎走進科學的大門就在這一刻開啟了。這些藍色的，頭部涂著碳粉的一個個立方錐布滿了整個實驗室。“這是用來減少實驗室所受到的電磁波干擾，這些椎體會把微波全部吸收，為標準微波信號測量提供良好的背景。”楊文廣博士向記者解釋。

微波測量系統是人類觀察世界的另一只“眼睛”，它通過測量“看不見、摸不著”的微波信號，極大地提升了人類對周邊環境及宇宙的認知水平。利用微波遙感技術可以測繪人類難以涉足地區的地形地貌，探索廣袤神秘的宇宙太空。隨著人類對未知世界探索的不斷深入，經典微波測量方法在靈敏度和測量精確度方面已經無法滿足現實需求。

高校的科研項目不似企業有較強的目的性，選擇多于研究者的興趣使然。十余年前，山西大學激光光譜研究團隊看到國外基于里德堡原子進行微波精密測量的實驗后，敏銳地察覺到這一研究的重要性，也加入了這場顛覆傳統、突破極限的國際競賽。功夫不負有心人，經過日夜磨礪，由賈鎖堂教授和肖連團教授帶頭的激光光譜研究團隊，在國際上首次實現里德堡原子微博超外差接收機樣機，極大提升了微波電場場強的探測靈敏度，微波測量靈敏度達55nV/（cm·Hz1/2），優于之前國際最好水平【Nat.?Phys.?8，819?824?（2012）】1000倍，最小可探測微波場強約400pV/cm，優于之前國際最好水平10000倍。該項研究成果極大地推動了微波電場精密測量領域的發展，在國防安全、微波通信、量子計量、電子信息等領域具有重要的應用價值。

學科融合?突破瓶頸

一項科研成果并非一朝一夕就可以成功的，這一路的披荊斬棘都體現了他們團隊的協作精神，如今說起來風輕云淡，而那些日夜的煎熬都留在了他們過去經歷的歲月中。該團隊成員張好告訴記者，“大概五六年前，當時遇到一個瓶頸期，之后隨著景明勇博士的加入，團隊的研究實力得到進一步提高。我們將無線電理論中的超外差技術與基于里德堡原子的量子測量相結合，為研究帶來了新的突破，這源自多學科交叉的魅力。”

習近平總書記指出：“要綜合多學科力量加快科研攻關，在堅持科學性、確保安全性的基礎上加快研發進度，力爭早日取得突破，盡快拿出切實管用的研究成果?！备咝W科門類豐富，擁有學術思想活躍的創新人才和專家隊伍。與科研機構和企業研發組織相比，高校在開展多學科交叉基礎研究、前沿技術研究和顛覆性技術創新方面有一定的優勢。

該團隊提出的基于可控原子體系的微波超外差測量新原理和新技術從根本上避免了經典微波測量方法中自由電子隨機熱噪聲的影響?！拔覀兪褂玫氖桥c正常狀態下不同的原子，即里德堡原子。利用精密激光系統制備的超大尺寸里德堡原子對外界微波電場異常敏感，因此特別適合進行極微弱微波探測。而可控的原子體系如同在交通法規約束下街道上的車流，其行為更為有序?！毖芯咳藛T解釋說。待測微波導致數以億計的里德堡原子量子狀態發生同步變化，通過對原子量子狀態進行光學非破壞測量可以獲得微波的強度、頻率、相位等信息。這種測量方法可以達到原子投影噪聲極限靈敏度，理論上遠優于經典微波測量方法。

“經典方法對微波電場的測量就好比于人眼對環境亮度的感受。由于觀察者對于環境亮度的感受不僅取決于觀察者自身視力的好壞，還受到觀察者的主觀判斷的影響，因此，對于不同的觀察者，其對絕對亮度的感受具有較大的差異?！毖芯咳藛T說道：“經典的微波測量方法需要經過多次校準操作來實現微波的絕對值測量，多次校準過程導致測量不確定度較大，難以實現精確測量?！痹搱F隊提出的基于原子體系微波測量系統很好地實現了微波的精確測量。由于原子自身十分穩定，原子測量體系僅通過單次校準過程便可以將微波測量溯源到國際標準單位制，使得其在測量精度上相對于經典測量系統具有顯著的優勢。

最終，該團隊的研究成果傳來了捷報，賈鎖堂教授和肖連團教授帶領團隊在基于原子體系的微波精密測量研究中取得了突破性進展，相關研究成果“Atomic?superheterodyne?receiver?based?on?microwave-dressed?Rydberg?spectroscopy”于2020年6月1日發表在《Nature?Physics》（自然·物理學）。論文第一作者為博士研究生景明勇、共同第一作者為胡穎教授，通訊作者為張臨杰教授和肖連團教授，研究人員還包括馬杰教授、張好副教授。此外，這項工作得到量子光學與光量子器件國家重點實驗室（山西大學）、極端光學省部共建協同創新中心（山西大學）以及國家重點研發計劃、國家自然科學基金重大儀器研制項目和國家優秀青年科學基金項目的支持。