由教育部科技委組織評選的2020年度“中國高等學(xué)校十大科技進(jìn)展”近日揭曉，山西大學(xué)激光光譜研究所賈鎖堂教授研究團(tuán)隊(duì)的科技成果“基于里德堡原子的微波電場精密測量”入選。這也是山西省內(nèi)高校首次獲此殊榮。該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性提出的基于里德堡原子體系的微波超外差測量方法，實(shí)現(xiàn)了目前國際上最為靈敏的，可溯源至國際標(biāo)準(zhǔn)單位制的微波相敏測試。

顛覆傳統(tǒng)?突破極限

3月17日，科學(xué)導(dǎo)報(bào)記者跟隨研究團(tuán)隊(duì)成員走進(jìn)山西大學(xué)激光光譜研究所實(shí)驗(yàn)室，一扇厚厚的大門緩緩打開時(shí)，記者感受到似乎走進(jìn)科學(xué)的大門就在這一刻開啟了。這些藍(lán)色的，頭部涂著碳粉的一個個立方錐布滿了整個實(shí)驗(yàn)室。“這是用來減少實(shí)驗(yàn)室所受到的電磁波干擾，這些椎體會把微波全部吸收，為標(biāo)準(zhǔn)微波信號測量提供良好的背景?！睏钗膹V博士向記者解釋。

微波測量系統(tǒng)是人類觀察世界的另一只“眼睛”，它通過測量“看不見、摸不著”的微波信號，極大地提升了人類對周邊環(huán)境及宇宙的認(rèn)知水平。利用微波遙感技術(shù)可以測繪人類難以涉足地區(qū)的地形地貌，探索廣袤神秘的宇宙太空。隨著人類對未知世界探索的不斷深入，經(jīng)典微波測量方法在靈敏度和測量精確度方面已經(jīng)無法滿足現(xiàn)實(shí)需求。

高校的科研項(xiàng)目不似企業(yè)有較強(qiáng)的目的性，選擇多于研究者的興趣使然。十余年前，山西大學(xué)激光光譜研究團(tuán)隊(duì)看到國外基于里德堡原子進(jìn)行微波精密測量的實(shí)驗(yàn)后，敏銳地察覺到這一研究的重要性，也加入了這場顛覆傳統(tǒng)、突破極限的國際競賽。功夫不負(fù)有心人，經(jīng)過日夜磨礪，由賈鎖堂教授和肖連團(tuán)教授帶頭的激光光譜研究團(tuán)隊(duì)，在國際上首次實(shí)現(xiàn)里德堡原子微博超外差接收機(jī)樣機(jī)，極大提升了微波電場場強(qiáng)的探測靈敏度，微波測量靈敏度達(dá)55nV/（cm·Hz1/2），優(yōu)于之前國際最好水平【Nat.?Phys.?8，819?824?（2012）】1000倍，最小可探測微波場強(qiáng)約400pV/cm，優(yōu)于之前國際最好水平10000倍。該項(xiàng)研究成果極大地推動了微波電場精密測量領(lǐng)域的發(fā)展，在國防安全、微波通信、量子計(jì)量、電子信息等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

學(xué)科融合?突破瓶頸

一項(xiàng)科研成果并非一朝一夕就可以成功的，這一路的披荊斬棘都體現(xiàn)了他們團(tuán)隊(duì)的協(xié)作精神，如今說起來風(fēng)輕云淡，而那些日夜的煎熬都留在了他們過去經(jīng)歷的歲月中。該團(tuán)隊(duì)成員張好告訴記者，“大概五六年前，當(dāng)時(shí)遇到一個瓶頸期，之后隨著景明勇博士的加入，團(tuán)隊(duì)的研究實(shí)力得到進(jìn)一步提高。我們將無線電理論中的超外差技術(shù)與基于里德堡原子的量子測量相結(jié)合，為研究帶來了新的突破，這源自多學(xué)科交叉的魅力。”

習(xí)近平總書記指出：“要綜合多學(xué)科力量加快科研攻關(guān)，在堅(jiān)持科學(xué)性、確保安全性的基礎(chǔ)上加快研發(fā)進(jìn)度，力爭早日取得突破，盡快拿出切實(shí)管用的研究成果?！备咝W(xué)科門類豐富，擁有學(xué)術(shù)思想活躍的創(chuàng)新人才和專家隊(duì)伍。與科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)研發(fā)組織相比，高校在開展多學(xué)科交叉基礎(chǔ)研究、前沿技術(shù)研究和顛覆性技術(shù)創(chuàng)新方面有一定的優(yōu)勢。

該團(tuán)隊(duì)提出的基于可控原子體系的微波超外差測量新原理和新技術(shù)從根本上避免了經(jīng)典微波測量方法中自由電子隨機(jī)熱噪聲的影響?！拔覀兪褂玫氖桥c正常狀態(tài)下不同的原子，即里德堡原子。利用精密激光系統(tǒng)制備的超大尺寸里德堡原子對外界微波電場異常敏感，因此特別適合進(jìn)行極微弱微波探測。而可控的原子體系如同在交通法規(guī)約束下街道上的車流，其行為更為有序?！毖芯咳藛T解釋說。待測微波導(dǎo)致數(shù)以億計(jì)的里德堡原子量子狀態(tài)發(fā)生同步變化，通過對原子量子狀態(tài)進(jìn)行光學(xué)非破壞測量可以獲得微波的強(qiáng)度、頻率、相位等信息。這種測量方法可以達(dá)到原子投影噪聲極限靈敏度，理論上遠(yuǎn)優(yōu)于經(jīng)典微波測量方法。

“經(jīng)典方法對微波電場的測量就好比于人眼對環(huán)境亮度的感受。由于觀察者對于環(huán)境亮度的感受不僅取決于觀察者自身視力的好壞，還受到觀察者的主觀判斷的影響，因此，對于不同的觀察者，其對絕對亮度的感受具有較大的差異?！毖芯咳藛T說道：“經(jīng)典的微波測量方法需要經(jīng)過多次校準(zhǔn)操作來實(shí)現(xiàn)微波的絕對值測量，多次校準(zhǔn)過程導(dǎo)致測量不確定度較大，難以實(shí)現(xiàn)精確測量?！痹搱F(tuán)隊(duì)提出的基于原子體系微波測量系統(tǒng)很好地實(shí)現(xiàn)了微波的精確測量。由于原子自身十分穩(wěn)定，原子測量體系僅通過單次校準(zhǔn)過程便可以將微波測量溯源到國際標(biāo)準(zhǔn)單位制，使得其在測量精度上相對于經(jīng)典測量系統(tǒng)具有顯著的優(yōu)勢。

最終，該團(tuán)隊(duì)的研究成果傳來了捷報(bào)，賈鎖堂教授和肖連團(tuán)教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在基于原子體系的微波精密測量研究中取得了突破性進(jìn)展，相關(guān)研究成果“Atomic?superheterodyne?receiver?based?on?microwave-dressed?Rydberg?spectroscopy”于2020年6月1日發(fā)表在《Nature?Physics》（自然·物理學(xué)）。論文第一作者為博士研究生景明勇、共同第一作者為胡穎教授，通訊作者為張臨杰教授和肖連團(tuán)教授，研究人員還包括馬杰教授、張好副教授。此外，這項(xiàng)工作得到量子光學(xué)與光量子器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（山西大學(xué)）、極端光學(xué)省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心（山西大學(xué)）以及國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金重大儀器研制項(xiàng)目和國家優(yōu)秀青年科學(xué)基金項(xiàng)目的支持。