中科大又一新成果！郭光灿院士团队实现噪声增强的里德堡原子电场探测

微波信号的精确、高效检测一直是科研人员探索的重要方向，它不仅关乎通信系统的性能提升，还直接影响到量子信息处理、雷达探测等多个高科技领域的发展。为了实现更高灵敏度的微波检测技术，科学家们不断探索新的物理机制和创新方法。

10月11日，中国科学技术大学郭光灿院士团队在国际学术期刊《Science Advances》上发表题为“Nonlinearity-enhanced continuous microwave detection based on stochastic resonance”的研究论文，吴康达副教授和博士研究生谢崇武为共同第一作者，项国勇教授和邹长铃教授为论文共同通讯作者。

在本文中，研究人员展示了基于随机共振原理的微波传感器。该传感器利用了里德堡原子系综里多体效应引起的强相互作用，实现强微波背景噪声下待探测弱信号的显著增强和信噪比提升。经认证，利用系统中的随机噪声，即使在弱微波信号（从几微伏每厘米到毫伏每厘米）的驱动下，也能实现随机共振现象，从而大幅增强输出信号的幅度。实验结果表明，当噪声强度超过一定阈值时，利用随机共振效应的里德堡原子微波传感器能够在不同稳定状态间切换，从而有效放大输入微波信号，其灵敏度相比传统的外差原子微波传感器提高了6.6分贝，这不仅验证了随机共振在微波传感中的有效性，也为非线性原子传感器的发展提供了新的方向。

背景

在实际应用中，微波信号的精确检测对无线通信、雷达探测、量子信息处理等众多领域具有重大意义。然而，传统传感技术在尝试捕获微弱微波信号时，常因环境噪声和系统自身非线性特性的影响而面临挑战，这通常会导致输出信噪比的降低和灵敏度的受限。

随机共振现象则提供了一种反直觉的方法，它能够在特定条件下，借助噪声的力量显著提升非线性系统的输出信噪比。尽管随机共振在多个学科中得到了广泛研究，但在现实传感任务中的潜力仍待深入探索。里德堡原子凭借其丰富的能级结构和巨大的电偶极矩，成为连接无线电波和光波不同电磁波段域的理想桥梁。目前已应用于微波到光波的转换、太赫兹成像以及微波电场测量等多个领域目前，里德堡原子已被成功应用于微波到光波的转换、太赫兹成像以及微波电场测量等多个前沿领域。通过进一步研究和利用里德堡原子的这些特性，未来有望开发出更为高效和灵敏的微波传感技术，从而推动相关领域的发展和创新。

理论方法

本文基于随机共振的原理，在里德堡原子系综中实现了对微波信号的非线性增强检测。随机共振现象在具有双稳态或多稳态行为的非线性系统中尤为显著，其中弱信号与适当强度的噪声相结合，可以刺激系统在不同状态之间切换，从而放大输入信号。

为了理论描述这一现象，本文采用了平均场理论（Mean Field Theory, MFT）来简化多体相互作用的形式主义，并通过构建一个有效势函数（Effective Potential Function）来描述里德堡原子系综的动力学行为。在理论模型中，里德堡原子系综被视为一个布朗粒子在双稳态势阱中的过阻尼运动，通过求解相应的主方程，可以预测系统在不同噪声强度和信号频率下的响应特性。

实验方法

在前期基于里德堡原子微波传感的研究基础上，研究人员结合基于随机共振理论和里德堡原子系综里的多体效应产生的强非线性提出了噪声增强的微波测量方案。他们通过系综里的多体效应引入强非线性产生双稳现象，并利用一个很强的噪声微波场进行辅助，实现了对另一个弱探测信号的放大。

在实验中，研究团队采用了铷（Rb）原子蒸气室作为核心组件，利用外部弱探针光（波长为780 nm）和强耦合光（波长为480 nm）将原子激发至里德堡态。由于里德堡原子集合展现出强烈的非线性特性，系统呈现出双稳态或多稳态行为。

为了利用这一特性，研究人员设计了信号与噪声的引入方式：微弱的微波信号（从几微伏每厘米到毫伏每厘米）通过调制MW1的幅度来引入，而随机噪声则通过调制MW2的幅度来引入。当MW1信号强度较弱，无法独立触发系统状态转换时，通过向MW2中引入适当强度的随机噪声，可以有效激活系统状态间的转换。这种噪声与微弱信号的协同作用，使得系统能够显著放大输入信号，实现了随机共振现象。

图1：随机共振传感器的原理与实验设置

图2：随机共振现象的实验观察

实验结果表明，该方案不仅实现了对检测信号幅度的显著放大（超过25 dB），而且灵敏度相比传统外差原子微波传感器提高了6.6分贝。此外，该方案不仅验证了随机共振在微波传感中的有效性，也为非线性原子传感器的发展提供了新的方向，展示了在实际微波检测任务中克服噪声负面影响、提升传感器性能的巨大潜力。

值得一提的是，这类新型非线性原子微波传感器具有很多优势：

（1）非线性可调：操作人员可以通过调节系统参数改变系统的非线性大小，适应不同类型的噪声环境。

（2）噪声鲁棒：噪声可以通过人工引入或者仅仅利用系统噪声进行信号放大；并且噪声形式可为随机白色噪声或者有色噪声。

（3）可连续测量：该微波接收机工作于系统临界点附近，且可持续进行微波测量。

（4）兼容性好：该方案可兼容目前任意一种原子微波测量或者通信方案。

另外，研究人员正在对该类新型微波传感器进行进一步升级和改造：比如可通过提升原子-微波相互作用体积来提升绝对灵敏度，通过引入多能级协助提升信号接收带宽等。该方案在多种场合下具有应用潜力：比如基于里德堡原子的微弱信号检测，噪声背景下的微波通信以及微波成像等。

图3：随机共振在微波传感中的应用

图4：随机共振传感器的性能分析

主要人员介绍

郭光灿，中国科学技术大学教授。2003年当选为中国科学院信息科学学部院士，2009年当选为第三世界科学院院士。主要从事量子光学、量子密码、量子通信和量子计算的理论和实验研究。

项国勇，中国科学技术大学教授、博士生导师，主要从事量子光学、量子信息以及量子测量方面的理论和实验研究工作，曾获基金委、中组部多项人才称号。

吴康达，中国科学技术大学副教授，主要从事量子信息、量子光学理论和实验研究。

谢崇武，中国科学技术大学博士研究生。

参考链接