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Infrared and Laser Engineering

基于里德堡原子的无线电光学测量及其光谱处理技术（特邀）

吴金云 Wu Jinyun, 杨剑 Yang Jian, 高伟超 Gao Weichao, 张引发 Zhang Yinfa

Published Jan 1, 2023• 0 citations
Publisher

Abstract

里德堡原子是一种高激发态的原子，具有较大电偶极矩，相邻能级差可覆盖DC~THz的超宽频谱范围，因而可以实现电磁场高灵敏、超宽带的传感接收。基于里德堡原子的无线电光学测量是通过碱金属原子在探测光和控制光等两束激光的精确调控下转变为里德堡原子，并使探测光透射光谱产生电磁诱导透明效应，进而在输入的无线电信号的作用下，使其透明光谱发生Autler-Townes (AT)劈裂，完成无线电信号到光学信号的转化，从而实现无线电信号频率、幅度、相位等信息的提取，具有直接解调、无需校准、抗电磁毁伤等特点。近年来，该技术在电场计量、电磁频谱侦测、通信、雷达等电子信息技术领域引起人们的强烈关注。该技术的关键在于如何从原子系统输出光谱中快速准确地提取出无线电信号的信息。针对静态无线电信号、动态无线电信号、单频无线电信号、多频无线电信号等不同类型的无线电信号，对应的信息提取和光谱处理方式也不同。依据不同类型的无线电信号，对基于里德堡原子的无线电光学测量及其光谱处理技术进行分类，并综述其原理、技术特点及国内外研究进展，最后结合该技术特点及其应用前景，对未来发展趋势作了展望。

DOI
10.3788/irla20230264

Related papers

强XUV光下原子分子电离过程的研究进展（特邀）

刘光殷 Liu Guangyin, 姜维超 Jiang Weichao, 彭良友 Peng Liangyou

随着近年来自由电子激光技术的发展，强极紫外（XUV）激光脉冲作用下的原子分子电离过程逐渐成为强场物理领域的研究热点之一。强XUV光下的电离过程中存在很多新奇，甚至反直觉的非微扰效应。主要介绍近年来在XUV光下的原子稳定化、Autler-Townes（AT）分裂和动态干涉上的研究进展。主要涉及原子稳定化出现的机制及探测方法，原子稳定化区域光电子角分布的变化，拉比振荡与AT分裂的联系，AT分裂的峰间距、相对峰高、双峰之间的次峰结构，阈上和阈下电离过程中动态干涉出现的条件，单电离与双电离能谱中的动态干涉构型，动态干涉与原子稳定化的联系，动态干涉与AT分裂之间的联系，以及非偶极修正与电子关联的影响等。

Acta Optica Sinica•Jan 1, 2024•7 citations

腔量子电动力学中光子阻塞效应的研究进展（特邀）

唐静 Tang Jing, 邓元刚 Deng Yuangang

光子阻塞效应是腔量子电动力学中的核心非线性现象，通过抑制多光子激发实现单光子或光子束的确定性调控，为量子信息科学的发展提供了关键物理手段。当前研究主要聚焦于常规光子阻塞与非常规光子阻塞两大机制：前者依赖原子-腔强耦合诱导的非谐性能级劈裂，通过能谱非均匀性有效抑制多光子跃迁；后者则利用多路径间的破坏性量子干涉效应，即便在弱耦合条件下也能抑制双光子激发，从而显著降低了对强非线性的需求。两者的协同作用可进一步优化光子阻塞的性能，显著提升阻塞效率。近年来，该领域研究不断拓展至非互易光子阻塞、非线性耗散调控等方向，不仅为理解量子光学中的非线性行为提供了更丰富的理论框架，也为量子信息处理、量子计算和量子精密测量等应用奠定了技术基础。此外，多光子阻塞及其扩展机制的研究也为发展多光子量子技术提供了重要支撑。本综述系统梳理了单光子阻塞、多光子阻塞及其拓展机制的实现方案与最新研究进展，重点探讨其在单光子源、量子信息处理及量子网络等前沿领域的潜在应用。最后，展望了光子阻塞效应未来的发展方向，包括新型非常规光子阻塞机制的探索，以及其在大规模量子信息系统中的应用前景。

Laser & Optoelectronics Progress•Jan 1, 2025•3 citations

多光子干涉在量子计算及量子机器学习中的研究进展（特邀）

占浩 Zhan Hao, 胥亮 Xu Liang, 张利剑 Zhang Lijian

多光子干涉是由全同光子在多模线性光网络中产生的联合量子干涉效应，属于光量子系统中一类核心的非经典现象，也是光量子信息处理的重要资源。近年来，随着光量子信息技术的迅速发展，多光子干涉在通用光量子逻辑门的构建以及经典计算机难以模拟的玻色采样等量子计算任务中发挥着关键作用。其中，玻色采样能够在通用量子计算成熟之前率先展示量子优越性，因而自提出以来持续受到广泛关注。与此同时，面向光量子平台的量子机器学习架构不断涌现，致力于将多光子干涉所蕴含的计算能力与机器学习模型结合，推动具有实用价值的量子优势发展。首先，系统回顾多光子干涉的基本原理，涵盖线性光网络模型、积和式描述及玻色采样的计算复杂性；其次，重点介绍其在量子计算中的应用，包括线性光学量子计算架构、基于多光子干涉的量子逻辑门及其应用，以及玻色采样的实验进展；接着，讨论其在量子机器学习领域的创新应用，如量子核方法、光量子神经网络和光量子储备池计算等；最后，总结当前的关键挑战与瓶颈，并对其未来研究方向进行展望。

Acta Optica Sinica•Jan 1, 2025•1 citation

量子信息技术的新范式：手性量子光学的研究进展与应用（特邀）

李恩泽 Li Enze, 王天宇 Wang Tianyu, 史保森 Shi Baosen

手性作为物质的基本特性之一，在物理、化学和生物系统中普遍存在。近年来，光与物质手性相互作用的研究取得了显著进展，为量子光学和量子信息技术开辟了全新的研究方向。在手性相互作用中，局域光场的偏振态与其传播方向紧密关联，从而实现了非互易的光-物质耦合。这一现象突破了传统量子光学中时间反演对称性的基本假设，催生了一系列全新的手性量子光学平台和技术，包括手性量子态传输、确定性自旋-光子界面，以及复杂量子网络的构建等。这些进展不仅推动了多量子态叠加操控和方向依赖态存储技术的发展，还为量子通信、量子计算和量子模拟等领域带来了重要突破。尽管如此，手性量子光学的广泛应用仍面临诸多挑战。例如，如何设计高效率的手性界面、抑制光子损耗，以及表征复杂系统中的手性相互作用，仍是亟待解决的关键问题。本文综述了手性量子光学领域的最新研究进展及其在量子信息科学中的应用，并深入探讨了未来可能的发展方向及其潜在影响。

Laser & Optoelectronics Progress•Jan 1, 2025•1 citation

量子压缩增强的超灵敏光力传感（特邀）

张圣典 Zhang Shengdian, 王婕 Wang Jie, 张骞 Zhang Qian +2 more

杂化量子系统被视为推动量子科技突破和量子科学持续发展的关键平台。其中，腔光力杂化系统凭借其高集成度和强操控性，在电声光转换、量子态制备和量子精密测量等领域展现出显著应用价值，并被Nature誉为光子学发展史上的里程碑。近年来，激光冷却技术和微纳加工技术的进步显著增强了对原子、光子和电子等微观量子系统的调控与观测能力，测量技术从经典灵敏度逐步迈向基于量子效应的超灵敏传感，实现指数级的性能提升。在此背景下，本文综述了利用量子压缩提升量子传感性能的最新进展，重点讨论了量子压缩在实现超灵敏量子传感中的关键优势。更广泛地说，量子压缩增强的超灵敏量子传感为引力波探测、暗物质搜寻、量子照明和生物粒子追踪等前沿研究提供了潜在的突破性途径。

Laser & Optoelectronics Progress•Jan 1, 2025•4 citations

光力学量子换能器：进展与挑战（特邀）

陈培钦 Chen Peiqin, 徐昕尧 Xu Xinyao, 张亦非 Zhang Yifei +7 more

固态量子比特（如超导、半导体等）主要工作于微波（GHz）频段。然而，该频段的量子信号在室温环境下存在较大的损耗，难以实现长距离传输，这一技术难题也是未来部署分布式量子计算、量子计算网络的重要瓶颈。将微波频段量子信号转换为光学频段（尤其是光通信波段）的量子换能器是解决该瓶颈问题的重要方案之一。近年来，光力学量子换能器因其具有低噪声、大带宽、高效率的发展潜力，且易于大规模芯片集成，成为量子换能器领域的研究热点。首先，系统综述了光力学量子换能器的基本原理与关键性能指标，包括转换效率、带宽、附加噪声与品质因子等，分析其物理机制与参数之间的制约关系；随后，重点梳理了薄膜型、光声晶体（OMC）型、体声波谐振器（BAR）型与微盘型这四种换能器的主要研究进展，分别评述其实现原理、性能水平及发展瓶颈；最后，针对量子换能器领域面临的重大挑战，对其未来发展方向进行了展望，包括协同度优化、低噪声和宽带工作能力、异质结构与新材料引入以及系统级优化设计等。该研究成果可为从事光力学量子换能器研究或对相关领域感兴趣的科研人员提供参考。

Acta Optica Sinica•Jan 1, 2025•0 citations
里德堡原子是一种高激发态的原子，具有较大电偶极矩，相邻能级差可覆盖DC~THz的超宽频谱范围，因而可以实现电磁场高灵敏、超宽带的传感接收。基于里德堡原子的无线电光学测量是通过碱金属原子在探测光和控制光等两束激光的精确调控下转变为里德堡原子，并使探测光透射光谱产生电磁诱导透明效应，进而在输入的无线电信号的作用下，使其透明光谱发生Autler-Townes (AT)劈裂，完成无线电信号到光学信号的转化，从而实现无线电信号频率、幅度、相位等信息的提取，具有直接解调、无需校准、抗电磁毁伤等特点。近年来，该技术在电场计量、电磁频谱侦测、通信、雷达等电子信息技术领域引起人们的强烈关注。该技术的关键在于如何从原子系统输出光谱中快速准确地提取出无线电信号的信息。针对静态无线电信号、动态无线电信号、单频无线电信号、多频无线电信号等不同类型的无线电信号，对应的信息提取和光谱处理方式也不同。依据不同类型的无线电信号，对基于里德堡原子的无线电光学测量及其光谱处理技术进行分类，并综述其原理、技术特点及国内外研究进展，最后结合该技术特点及其应用前景，对未来发展趋势作了展望。
随着近年来自由电子激光技术的发展，强极紫外（XUV）激光脉冲作用下的原子分子电离过程逐渐成为强场物理领域的研究热点之一。强XUV光下的电离过程中存在很多新奇，甚至反直觉的非微扰效应。主要介绍近年来在XUV光下的原子稳定化、Autler-Townes（AT）分裂和动态干涉上的研究进展。主要涉及原子稳定化出现的机制及探测方法，原子稳定化区域光电子角分布的变化，拉比振荡与AT分裂的联系，AT分裂的峰间距、相对峰高、双峰之间的次峰结构，阈上和阈下电离过程中动态干涉出现的条件，单电离与双电离能谱中的动态干涉构型，动态干涉与原子稳定化的联系，动态干涉与AT分裂之间的联系，以及非偶极修正与电子关联的影响等。
光子阻塞效应是腔量子电动力学中的核心非线性现象，通过抑制多光子激发实现单光子或光子束的确定性调控，为量子信息科学的发展提供了关键物理手段。当前研究主要聚焦于常规光子阻塞与非常规光子阻塞两大机制：前者依赖原子-腔强耦合诱导的非谐性能级劈裂，通过能谱非均匀性有效抑制多光子跃迁；后者则利用多路径间的破坏性量子干涉效应，即便在弱耦合条件下也能抑制双光子激发，从而显著降低了对强非线性的需求。两者的协同作用可进一步优化光子阻塞的性能，显著提升阻塞效率。近年来，该领域研究不断拓展至非互易光子阻塞、非线性耗散调控等方向，不仅为理解量子光学中的非线性行为提供了更丰富的理论框架，也为量子信息处理、量子计算和量子精密测量等应用奠定了技术基础。此外，多光子阻塞及其扩展机制的研究也为发展多光子量子技术提供了重要支撑。本综述系统梳理了单光子阻塞、多光子阻塞及其拓展机制的实现方案与最新研究进展，重点探讨其在单光子源、量子信息处理及量子网络等前沿领域的潜在应用。最后，展望了光子阻塞效应未来的发展方向，包括新型非常规光子阻塞机制的探索，以及其在大规模量子信息系统中的应用前景。
多光子干涉是由全同光子在多模线性光网络中产生的联合量子干涉效应，属于光量子系统中一类核心的非经典现象，也是光量子信息处理的重要资源。近年来，随着光量子信息技术的迅速发展，多光子干涉在通用光量子逻辑门的构建以及经典计算机难以模拟的玻色采样等量子计算任务中发挥着关键作用。其中，玻色采样能够在通用量子计算成熟之前率先展示量子优越性，因而自提出以来持续受到广泛关注。与此同时，面向光量子平台的量子机器学习架构不断涌现，致力于将多光子干涉所蕴含的计算能力与机器学习模型结合，推动具有实用价值的量子优势发展。首先，系统回顾多光子干涉的基本原理，涵盖线性光网络模型、积和式描述及玻色采样的计算复杂性；其次，重点介绍其在量子计算中的应用，包括线性光学量子计算架构、基于多光子干涉的量子逻辑门及其应用，以及玻色采样的实验进展；接着，讨论其在量子机器学习领域的创新应用，如量子核方法、光量子神经网络和光量子储备池计算等；最后，总结当前的关键挑战与瓶颈，并对其未来研究方向进行展望。
手性作为物质的基本特性之一，在物理、化学和生物系统中普遍存在。近年来，光与物质手性相互作用的研究取得了显著进展，为量子光学和量子信息技术开辟了全新的研究方向。在手性相互作用中，局域光场的偏振态与其传播方向紧密关联，从而实现了非互易的光-物质耦合。这一现象突破了传统量子光学中时间反演对称性的基本假设，催生了一系列全新的手性量子光学平台和技术，包括手性量子态传输、确定性自旋-光子界面，以及复杂量子网络的构建等。这些进展不仅推动了多量子态叠加操控和方向依赖态存储技术的发展，还为量子通信、量子计算和量子模拟等领域带来了重要突破。尽管如此，手性量子光学的广泛应用仍面临诸多挑战。例如，如何设计高效率的手性界面、抑制光子损耗，以及表征复杂系统中的手性相互作用，仍是亟待解决的关键问题。本文综述了手性量子光学领域的最新研究进展及其在量子信息科学中的应用，并深入探讨了未来可能的发展方向及其潜在影响。
杂化量子系统被视为推动量子科技突破和量子科学持续发展的关键平台。其中，腔光力杂化系统凭借其高集成度和强操控性，在电声光转换、量子态制备和量子精密测量等领域展现出显著应用价值，并被Nature誉为光子学发展史上的里程碑。近年来，激光冷却技术和微纳加工技术的进步显著增强了对原子、光子和电子等微观量子系统的调控与观测能力，测量技术从经典灵敏度逐步迈向基于量子效应的超灵敏传感，实现指数级的性能提升。在此背景下，本文综述了利用量子压缩提升量子传感性能的最新进展，重点讨论了量子压缩在实现超灵敏量子传感中的关键优势。更广泛地说，量子压缩增强的超灵敏量子传感为引力波探测、暗物质搜寻、量子照明和生物粒子追踪等前沿研究提供了潜在的突破性途径。
固态量子比特（如超导、半导体等）主要工作于微波（GHz）频段。然而，该频段的量子信号在室温环境下存在较大的损耗，难以实现长距离传输，这一技术难题也是未来部署分布式量子计算、量子计算网络的重要瓶颈。将微波频段量子信号转换为光学频段（尤其是光通信波段）的量子换能器是解决该瓶颈问题的重要方案之一。近年来，光力学量子换能器因其具有低噪声、大带宽、高效率的发展潜力，且易于大规模芯片集成，成为量子换能器领域的研究热点。首先，系统综述了光力学量子换能器的基本原理与关键性能指标，包括转换效率、带宽、附加噪声与品质因子等，分析其物理机制与参数之间的制约关系；随后，重点梳理了薄膜型、光声晶体（OMC）型、体声波谐振器（BAR）型与微盘型这四种换能器的主要研究进展，分别评述其实现原理、性能水平及发展瓶颈；最后，针对量子换能器领域面临的重大挑战，对其未来发展方向进行了展望，包括协同度优化、低噪声和宽带工作能力、异质结构与新材料引入以及系统级优化设计等。该研究成果可为从事光力学量子换能器研究或对相关领域感兴趣的科研人员提供参考。