“光谱”十年磨利剑 微波测量登高峰

由教育部科技委组织评选的2020年度“中国高等学校十大科技进展”近日揭晓，山西大学激光光谱研究所贾锁堂教授研究团队的科技成果“基于里德堡原子的微波電场精密测量”入选。这也是山西省内高校首次获此殊荣。该团队创新性提出的基于里德堡原子体系的微波超外差测量方法，实现了目前国际上最为灵敏的，可溯源至国际标准单位制的微波相敏测试。

颠覆传统 突破极限

3月17日，科学导报记者跟随研究团队成员走进山西大学激光光谱研究所实验室，一扇厚厚的大门缓缓打开时，记者感受到似乎走进科学的大门就在这一刻开启了。这些蓝色的，头部涂着碳粉的一个个立方锥布满了整个实验室。“这是用来减少实验室所受到的电磁波干扰，这些椎体会把微波全部吸收，为标准微波信号测量提供良好的背景。”杨文广博士向记者解释。

微波测量系统是人类观察世界的另一只“眼睛”，它通过测量“看不见、摸不着”的微波信号，极大地提升了人类对周边环境及宇宙的认知水平。利用微波遥感技术可以测绘人类难以涉足地区的地形地貌，探索广袤神秘的宇宙太空。随着人类对未知世界探索的不断深入，经典微波测量方法在灵敏度和测量精确度方面已经无法满足现实需求。

高校的科研项目不似企业有较强的目的性，选择多于研究者的兴趣使然。十余年前，山西大学激光光谱研究团队看到国外基于里德堡原子进行微波精密测量的实验后，敏锐地察觉到这一研究的重要性，也加入了这场颠覆传统、突破极限的国际竞赛。功夫不负有心人，经过日夜磨砺，由贾锁堂教授和肖连团教授带头的激光光谱研究团队，在国际上首次实现里德堡原子微博超外差接收机样机，极大提升了微波电场场强的探测灵敏度，微波测量灵敏度达55nV/（cm·Hz1/2），优于之前国际最好水平【Nat. Phys. 8，819 824 （2012）】1000倍，最小可探测微波场强约400pV/cm，优于之前国际最好水平10000倍。该项研究成果极大地推动了微波电场精密测量领域的发展，在国防安全、微波通信、量子计量、电子信息等领域具有重要的应用价值。

学科融合 突破瓶颈

一项科研成果并非一朝一夕就可以成功的，这一路的披荆斩棘都体现了他们团队的协作精神，如今说起来风轻云淡，而那些日夜的煎熬都留在了他们过去经历的岁月中。该团队成员张好告诉记者，“大概五六年前，当时遇到一个瓶颈期，之后随着景明勇博士的加入，团队的研究实力得到进一步提高。我们将无线电理论中的超外差技术与基于里德堡原子的量子测量相结合，为研究带来了新的突破，这源自多学科交叉的魅力。”

习近平总书记指出：“要综合多学科力量加快科研攻关，在坚持科学性、确保安全性的基础上加快研发进度，力争早日取得突破，尽快拿出切实管用的研究成果。”高校学科门类丰富，拥有学术思想活跃的创新人才和专家队伍。与科研机构和企业研发组织相比，高校在开展多学科交叉基础研究、前沿技术研究和颠覆性技术创新方面有一定的优势。

该团队提出的基于可控原子体系的微波超外差测量新原理和新技术从根本上避免了经典微波测量方法中自由电子随机热噪声的影响。“我们使用的是与正常状态下不同的原子，即里德堡原子。利用精密激光系统制备的超大尺寸里德堡原子对外界微波电场异常敏感，因此特别适合进行极微弱微波探测。而可控的原子体系如同在交通法规约束下街道上的车流，其行为更为有序。”研究人员解释说。待测微波导致数以亿计的里德堡原子量子状态发生同步变化，通过对原子量子状态进行光学非破坏测量可以获得微波的强度、频率、相位等信息。这种测量方法可以达到原子投影噪声极限灵敏度，理论上远优于经典微波测量方法。

“经典方法对微波电场的测量就好比于人眼对环境亮度的感受。由于观察者对于环境亮度的感受不仅取决于观察者自身视力的好坏，还受到观察者的主观判断的影响，因此，对于不同的观察者，其对绝对亮度的感受具有较大的差异。”研究人员说道：“经典的微波测量方法需要经过多次校准操作来实现微波的绝对值测量，多次校准过程导致测量不确定度较大，难以实现精确测量。”该团队提出的基于原子体系微波测量系统很好地实现了微波的精确测量。由于原子自身十分稳定，原子测量体系仅通过单次校准过程便可以将微波测量溯源到国际标准单位制，使得其在测量精度上相对于经典测量系统具有显著的优势。

最终，该团队的研究成果传来了捷报，贾锁堂教授和肖连团教授带领团队在基于原子体系的微波精密测量研究中取得了突破性进展，相关研究成果“Atomic superheterodyne receiver based on microwave-dressed Rydberg spectroscopy”于2020年6月1日发表在《Nature Physics》（自然·物理学）。论文第一作者为博士研究生景明勇、共同第一作者为胡颖教授，通讯作者为张临杰教授和肖连团教授，研究人员还包括马杰教授、张好副教授。此外，这项工作得到量子光学与光量子器件国家重点实验室（山西大学）、极端光学省部共建协同创新中心（山西大学）以及国家重点研发计划、国家自然科学基金重大仪器研制项目和国家优秀青年科学基金项目的支持。