OPTICA综述：基于原子的电磁场量子传感

电磁场的精确测量在生物医学、地球物理勘探、通信雷达以及基础物理研究中具有重要意义。传统电磁传感器受材料宏观特性与热噪声限制，性能指标提升存在瓶颈。基于原子的量子传感器是通过探测电场和磁场引起的原子能级移动，可溯源至国际单位制和基本物理常数，具有极高的灵敏度、精度、稳定性和分辨率等指标，因此成为量子传感的重要发展方向。

美国国家标准与技术研究院John Kitching、加拿大量子谷创意实验室James Shaffer以及德国美因茨亥姆霍兹研究所Dmitry Budker等学者联合撰文，综述了气态原子磁强计、NV色心磁强计和里德堡原子传感器等三类典型的量子传感器的原理、特性及应用。

图1 气态原子磁强计、NV色心磁强计和里德堡原子传感器

基于气态原子自旋在磁场中的拉莫尔进动，通过光抽运实现自旋极化，利用光学探测获取磁场信息，在地球物理勘探、生物磁成像和空间探测中已广泛应用。

表1 各种原子磁强计的性能

以金刚石中的NV^–缺陷为敏感核心。单NV色心空间分辨率达纳米级，系综可实现最高百fT级灵敏度，在高温超导研究、纳米核磁共振和生物检测中展现出独特价值。

表2 部分NV色心磁强计的特性

利用里德堡态原子的宽频跃迁特性，通过电磁感应透明等效应实现射频场探测，具备直流至太赫兹的超宽载波带宽、介质透明性和自校准能力，在5G设备测试、雷达系统和近场成像中具有巨大应用潜力。

未来基于原子的量子传感将朝着集成化、多功能化与实用化深度推进，依托集成光子学与MEMS技术实现器件集成化和微型化。

（1）原子磁强计利用脉冲探测、梯度测量等技术抑制环境干扰，拓展生物医学、空间探测等应用场景；

（2）NV色心传感器将向多参数（磁场、旋转、温度等）传感延伸；

（3）里德堡传感器将聚焦提高灵敏度、宽带全光相位检测；

（4）量子纠缠与压缩技术的工程化应用将突破性能上限，同时需攻克量子态保真度保持、系统复杂度控制等挑战。

参考资料：