华沙大学新技术中心的物理学院和量子光学技术中心的团队开发了一种使用“量子天线”测量难以捕捉的太赫兹信号的新方法。
这项研究的作者利用了一种新颖的设置，利用瑞德堡原子进行无线电波检测，不仅能够检测到太赫兹频段的所谓的频率梳，还能精确校准。直到最近，这个频段在电磁谱中仍然是个空白区域，刊登在期刊Optica上的解决方案为超灵敏光谱学和新一代在室温下工作的量子传感器铺平了道路。
太赫兹（THz）辐射作为电磁谱的一部分，处于电子学和光学的交界处，介于微波（例如用于Wi-Fi）和红外线之间。
尽管它具有巨大的潜力——从无害的X射线检查包裹，到超高速6G通信，再到有机化合物的光谱学和成像——但在精确和灵敏测量方面的实际应用依然面临重大技术挑战。近年来，在这种辐射的检测和产生方面取得了巨大的进展，但频率梳的精确测量至今仍未实现。
频率梳在物理学中的重要性
这为什么如此重要？频率梳在2005年获得了诺贝尔奖，最容易想象成一种极其精确的尺子，但它是由光或无线电波构成的。与毫米刻度不同，它有一系列均匀间隔的线条（“齿”），这些线条在严格定义的频率上。
这种“电磁尺”使物理学家能够以极高的精度测量未知信号的频率——只需检查信号与尺子上的哪个“齿”对齐。因此，频率梳作为参考标准，用于校准和调节其他设备，覆盖非常广泛的频率范围。根据这个尺子在电磁谱中的位置，我们可以称其为光学、无线电或太赫兹频率梳。
太赫兹频率梳特别有趣，因为它们能够实现校准，从而在一个显著高于无线电波（更快振荡）但低于光波（光）的频率范围内进行更精确的测量。然而，这种类型的频率梳很难进行精确测量——它的速度太快，现代电子设备无法处理，同时也无法通过光学方法记录。
尽管可以确定梳齿之间的间距，并且可以测量整个光谱发出的总功率，但要确定单个齿的功率贡献一直是个挑战。
利用赖德堡原子作为传感器的突破
华沙大学新技术中心的物理系和量子光学技术中心的科学家们成功克服了这一限制，首次测量了单个太赫兹梳齿信号。为此，他们使用了处于赖德堡态的铷原子气体。
赖德堡原子是指其单个电子通过精确调谐的激光照射被激发到非常高的轨道。这种“膨胀”的原子就像一个量子天线，对外部电场非常敏感。此外，利用可调激光，它可以调谐到这种电场的一个特定频率，范围可扩展到太赫兹波。
传统上，在赖德堡电测中，使用奥特勒-汤斯分裂现象来测量电场。它的一个巨大优势是测量结果仅依赖于基本的原子常数，提供绝对校准的读数。
与需要在专业无线电实验室进行繁琐校准的经典天线不同，基于原子的系统在某种程度上，它本身就是一个标准。此外，得益于原子中丰富的能级状态，这种传感器几乎可以在一个非常广泛的范围内连续调谐——从直流（DC）信号一直到前面提到的太赫兹。
混合检测方法及未来应用
然而，这种方法有一个局限性：单独使用时，它对非常微弱的太赫兹信号的敏感性不足。为了解决这个问题，研究团队额外应用了华沙大学发明的无线电波转光技术，并将其调整以满足太赫兹辐射的需求。
在这个过程中，微弱的太赫兹信号被转换为光子，然后可以通过单光子计数器以极高的灵敏度进行探测。这种混合方法是成功的关键：它将光子检测的极高灵敏度与“恢复”Autler-Townes方法的校准能力结合起来，即使对于最微弱的信号也是如此。
基于赖德堡原子的传感器具备执行精确频率梳校准所需的所有特性：它可以调谐到频率梳的某个齿，然后再调谐到下一个，如此反复。科学家们通过这种方式成功观察到了数十个齿，覆盖了非常宽的频率范围。此外，得益于对原子基本特性的了解，频率梳得到了直接校准，精确确定了其强度。
来自华沙大学的物理学家Wiktor Krokosz、Jan Nowosielski、Bartosz Kasza、Sebastian Borówka、Mateusz Mazelanik、Wojciech Wasilewski和Michał Parniak所获得的结果不仅仅是一个灵敏的探测器。它们为新兴的计量学分支奠定基础。得益于赖德堡原子的优势，光学频率梳的革命性应用现在可以拓展到以往较为困难的太赫兹领域。
关键的是，不同于许多需要极低温度的量子技术，这个开发的系统可以在室温下运行，这不仅大大降低了成本，还促进了未来的商业化。这为即将到来的太赫兹技术时代的参考测量标准的创建打开了大门。
更多详情： Wiktor Krokosz 等，利用赖德堡原子进行太赫兹频率梳的电场计量，Optica（2025）。 DOI: 10.1364/optica.578051
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