中國科大郭光燦院士團隊在基于里德堡原子的微波傳感方向取得新進展。該團隊項國勇、鄒長鈴等人研制出一種新型的噪聲魯棒且可實現連續探測的里德堡原子微波探測裝置，利用了里德堡原子系綜里多體效應引起的強相互作用，實現強微波背景噪聲下待探測弱信號的顯著增強和信噪比提升。該成果以“Nonlinearity-enhanced continuous microwave detection based on stochastic resonance”為題，10月11日發表在國際學術期刊《科學進展》上。
 

噪聲增強的非線性微波傳感
 

　　相較于傳統的微波天線技術，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、頻譜覆蓋寬等優勢，近年來得到了學術界廣泛的關注。然而到目前為止，大量的研究工作只是在實驗室無噪聲或者噪聲水平很低的情況下進行微波測量或者通信，面對外場條件下復雜的噪聲環境和電磁干擾，其測量效果和靈敏度都會大打折扣。因此，發展在抗干擾性能上具有實用化潛力的原子微波接收機是里德堡微波傳感領域的急切需求。
 

　　在前期基于里德堡原子微波傳感的研究基礎上，項國勇等人結合基于隨機共振理論和里德堡原子系綜里的多體效應產生的強非線性提出了噪聲增強的微波測量方案。研究人員通過系綜里的多體效應引入強非線性產生雙穩現象，并利用一個很強的噪聲微波場進行輔助，實現了對另一個弱探測信號的放大。相較于工作在線性區域的外差探測法，研究人員實現了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勢：(1)非線性可調：操作人員可以通過調節系統參數改變系統的非線性大小，適應不同類型的噪聲環境。(2)噪聲魯棒：噪聲可以通過人工引入或者僅僅利用系統噪聲進行信號放大；并且噪聲形式可為隨機白色噪聲或者有色噪聲。(3)可連續測量：該微波接收機工作于系統臨界點附近，且可持續進行微波測量。(4)兼容性好：該方案可兼容目前任意一種原子微波測量或者通信方案。另外，研發人員正在對該類新型微波傳感器進行進一步升級和改造：比如可通過提升原子-微波相互作用體積來提升絕對靈敏度，通過引入多能級協助提升信號接收帶寬等。該方案在多種場合下具有應用潛力：比如基于里德堡原子的微弱信號檢測，噪聲背景下的微波通信以及微波成像等。
 

　　中國科學院量子信息重點實驗室項國勇教授和鄒長鈴教授為本文通訊作者，吳康達副教授和博士研究生謝崇武為共同第一作者。此項研究工作得到國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金項目等經費支持。(中國科學院量子信息重點實驗室、物理學院、中國科學院量子信息和量子科技創新研究院、科研部)