中国科大实现里德堡原子微波频率梳谱仪

中国科学技术大学郭光灿院士团队在基于里德堡原子的无线传感上取得新进展。该团队史保森、丁冬生课题组实现了一种基于里德堡原子的微波频率梳谱仪，在宽带微波的探测领域具有应用前景，相关成果7月14日以“Rydberg microwave frequency comb spectrometer”为题发表在美国物理协会（APS）旗下的应用物理期刊Physical Review Applied上。

微波测量在通信、导航、雷达、以及天文探测领域发挥重要作用。里德堡原子具有较大的电偶极矩，它可以对微弱的电场具有很强的响应，因此可以用里德堡原子作为微波传感器。近年来，该研究方向受到广泛关注，例如：美国陆军研究室David H. Meyer等人展示了一个基于热里德堡原子与平面微波波导耦合的原子射频接收器和频谱分析仪[Physical Review Applied 15, 014047 (2021)]。尽管里德堡原子传感研究取得了重要进展，但仍然存在一些亟待解决的问题，比如可实时接收信号的带宽（瞬时带宽）受限于原子系统到达稳态的弛豫时间，通常只有几MHz，严重影响了该体系的实用化进程。

在本工作中，研究团队基于室温铯原子体系，利用里德堡原子对微波的混频响应性质，将微波频率梳信号设置为本振信号（如图1所示），演示了基于里德堡微波频率梳谱仪的微波绝对频率测量方案，目前可实现的实时响应范围为125 MHz，且有进一步提升的空间。此外，如图2，通过利用不同主量子数的里德堡态，系统实现了对不同中心频率下具有1kHz调制带宽信号的接收。

图1 (a)原子能级图。(b)绝对频率测量的原理图(c)为实验装置图

图2不同里德堡态（主量子数n不同）对于不同中心频率的1kHz带宽调制信号的接收演示。

这项工作的创新之处在于利用微波频率梳拓宽了里德堡原子对微波信号的响应范围，一定程度上弥补了里德堡原子在微波探测中瞬时带宽窄的不足，实现在更宽范围内对信号的绝对频率测量，可以充分发挥里德堡原子对微波的大响应带宽和高灵敏度的特性。此外，该方法也可有效接收相位信息，有望应用于微波通信和测量等领域。

中科院量子信息重点实验室博士研究生张力华为本文的第一作者，丁冬生教授、史保森教授为本文的共同通讯作者。该成果得到了科技部、基金委、中科院、安徽省重大科技专项以及中国科学技术大学的资助。