中國科學技術大學獲悉，該校郭光燦院士團隊史保森教授、丁冬生教授課題組與國外同行合作，利用強關聯(lián)系統(tǒng)的相變提高了里德堡原子對微波電場測量的精度和靈敏度，靈敏度可達49納伏每厘米每根號赫茲。相關研究成果10月17日發(fā)表于《自然·物理》。

由于里德堡原子具有較大的電偶極矩，可以對微弱電場產(chǎn)生很強的響應，因此已經(jīng)成為一個非常有前景的微波測量量子體系。此外，由于里德堡原子之間具有長程強相互作用，常被用于模擬研究強關聯(lián)系統(tǒng)以及相變。強關聯(lián)系統(tǒng)在臨界點附近對外界擾動更加敏感，可以被應用于量子精密測量領域。

雖然有大量理論報道利用強關聯(lián)系統(tǒng)的臨界狀態(tài)去做量子傳感，但在實驗上一直未能成功實現(xiàn)。“主要原因是多體系統(tǒng)相變過程制備難、臨界點的外場調(diào)控技術欠缺等。"論文共同作者、中科院量子信息重點實驗室丁冬生教授介紹。

在前期工作基礎上，研究團隊發(fā)展了里德堡原子臨界點與微波電場的耦合技術。基于室溫銣原子體系，利用多體系統(tǒng)相變點對于微波擾動更加敏感的特點，顯著提高了測量微波的精度和靈敏度。

丁冬生說：“實驗發(fā)現(xiàn)，多體系統(tǒng)中的原子透射譜線在相變點附近變得更加陡峭，這相當于一把頻域上刻度更細的尺子，因此對于微波測量具有更高的精度。"

在評估傳感器時，一個關鍵量是Fisher information，它表示一個測量量包含多少關于未知參數(shù)的信息。實驗表明，相比于少體無相變的情況，多體系統(tǒng)在臨界點的Fisher information具有顯著提高，具體提高了三個數(shù)量級。對應于測量精度提升至少一個量級，并且隨測量時間的增加而增加，呈現(xiàn)指數(shù)增長的趨勢。

該工作得到審稿人高度評價：“該實驗真正具有開創(chuàng)性，具有重大的潛在影響，因為它為開發(fā)基于強相互作用多體系統(tǒng)的新一代量子傳感器打開了大門。" “49納伏每厘米每根號赫茲的靈敏度令人印象深刻，很好地表明了這種方法在計量方面的潛在應用。"