【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】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(xiàn)連續(xù)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(yīng)引起的強相互作用，實現(xiàn)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(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)進展》上。
 

噪聲增強的非線性微波傳感
 

　　相較于傳統(tǒng)的微波天線技術(shù)，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(yōu)勢，近年來得到了學(xué)術(shù)界廣泛的關(guān)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(fù)雜的噪聲環(huán)境和電磁干擾，其測量效果和靈敏度都會大打折扣。因此，發(fā)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(lǐng)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(chǔ)上，項國勇等人結(jié)合基于隨機共振理論和里德堡原子系綜里的多體效應(yīng)產(chǎn)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(yīng)引入強非線性產(chǎn)生雙穩(wěn)現(xiàn)象，并利用一個很強的噪聲微波場進行輔助，實現(xiàn)了對另一個弱探測信號的放大。相較于工作在線性區(qū)域的外差探測法，研究人員實現(xiàn)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(yōu)勢：(1)非線性可調(diào)：操作人員可以通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)改變系統(tǒng)的非線性大小，適應(yīng)不同類型的噪聲環(huán)境。(2)噪聲魯棒：噪聲可以通過人工引入或者僅僅利用系統(tǒng)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(xù)測量：該微波接收機工作于系統(tǒng)臨界點附近，且可持續(xù)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(fā)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(xié)助提升信號接收帶寬等。該方案在多種場合下具有應(yīng)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(xué)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(fā)計劃項目、國家自然科學(xué)基金項目等經(jīng)費支持。(中國科學(xué)院量子信息重點實驗室、物理學(xué)院、中國科學(xué)院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部)