冷原子磁力仪研究新突破：自适应贝叶斯测量提升性能

为解决冷原子磁力仪灵敏度与动态范围的权衡问题，研究人员开展相关研究，实现高灵敏度和高动态范围测量，意义重大。

　　《冷原子磁力仪研究新突破：自适应贝叶斯测量提升性能》

在微观世界的量子领域，科学家们一直在探索如何更精准地测量各种物理量，其中，冷原子磁力仪凭借其独特的优势，成为了研究的焦点之一。冷原子磁力仪就像微观世界里的 “超级侦探”，它能以超高的灵敏度和空间分辨率，去探测极其微弱的磁场信号，在基础研究和实际应用中都有着不可替代的作用，比如在生物医学领域，它可以帮助科学家探测人体内部微弱的磁场变化，辅助疾病诊断；在地质勘探中，能帮助寻找隐藏在地下的矿产资源。

然而，这个 “超级侦探” 也面临着一个棘手的问题。就如同鱼和熊掌难以兼得一样，冷原子磁力仪在追求高灵敏度的同时，其动态范围却受到了限制。当它试图更精确地测量磁场时，测量的动态范围就会变小，这使得它在面对一些需要同时具备高灵敏度和大动态范围的复杂场景时，显得有些力不从心。例如，在测量一些磁场强度变化范围较大的区域时，传统的冷原子磁力仪就难以准确地获取全面的磁场信息。

为了解决这个难题，来自国内多个研究机构（得到了国家自然科学基金、中国国家重点研发计划和广东省量子科学战略计划等项目支持）的研究人员展开了深入的研究。他们的研究成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上，为冷原子磁力仪的发展带来了新的曙光。

研究人员采用了一系列关键技术方法来开展这项研究。在实验装置方面，他们精心搭建了一套基于冷铷（⁸⁷Rb）原子的相干布居捕获（CPT）的实验系统。该系统利用了双光场来耦合铷原子的基态塞曼能级，通过一系列的操作，如将原子先捕获在磁光阱（MOT）中，再进行极化梯度冷却（PGC），最终获得了大量温度适宜的冷原子。在测量过程中，他们运用了 CPT - Ramsey 干涉技术，结合贝叶斯量子估计方法，实现了对磁场的高精度测量。

下面来详细看看研究结果：

• 实验装置：研究人员成功搭建了更为紧凑且带有磁屏蔽的实验装置。通过将⁸⁷Rb 原子先捕获在 MOT 中 50ms，再经 PGC 冷却，最终得到约 3×10⁷个温度约 13μK 的冷原子。这些冷原子在自由下落过程中，被与偏置磁场 B 对齐的左旋圆偏振 CPT 光束探测。实验中，研究人员精确控制光场和脉冲时间，通过测量不同时间下的信号，获取了原子态的相干时间 T_χ≈10.0ms，同时确定了该冷原子 CPT 磁力仪的空间分辨率约为 0.77mm³ 。
• 传统冷原子 CPT 磁力测量：在传统测量方式下，研究人员通过稳定微波（MW）合成器频率，直接测量两基态塞曼能级之间的跃迁频率，进而得到磁场强度。但这种方法存在局限性，随着测量时间的增加，低频噪声会使灵敏度下降，而且灵敏度和动态范围之间存在权衡关系。例如，当选择最优的测量时间以获得最高灵敏度时，动态范围会变得很小。研究人员通过实验计算得出，在特定条件下，传统测量方式的最优灵敏度为 14.7±0.4pT/√Hz，此时对应的动态范围仅为 5.0nT。
• 贝叶斯冷原子 CPT 磁力测量：为了突破传统测量的局限，研究人员开发了自适应贝叶斯冷原子 CPT 磁力测量方法。他们采用了一系列相关的相域 CPT - Ramsey 干涉测量，通过指数增加询问时间并自适应更新辅助相位，实现了贝叶斯量子估计。在这个过程中，他们巧妙地对干涉信号进行归一化处理，减少了退相干带来的影响。实验结果令人惊喜，该方法使测量灵敏度相对于总询问时间达到了超越标准量子极限（SQL）的亚 SQL 标度。当平均时间为 18.031s 时，测量灵敏度达到 6.8±0.1pT/√Hz，动态范围为 145.6nT，相比传统测量方法，灵敏度提升了 3.3±0.1dB，动态范围提高了 14.6dB。
• 灵敏度和动态范围：研究人员通过实验对比了传统测量和贝叶斯测量的灵敏度与动态范围。在传统测量中，灵敏度会随着动态范围的增加而变差，存在一个最佳平衡点。而贝叶斯测量则不受此限制，其动态范围由首次干涉的最小询问时间决定，灵敏度通过贝叶斯更新逐渐提高。实验表明，贝叶斯测量在保证高动态范围的同时，能够显著提升灵敏度，实现了两者的有效解耦。
• 磁场跟踪：在实际应用中，磁场往往是随时间变化的。为了验证冷原子磁力仪对时变磁场的跟踪能力，研究人员进行了相关实验。他们每隔 18.031s 将磁场强度增加 20nT，共增加两次，然后再将磁场恢复 40nT。实验结果显示，传统测量方法由于灵敏度和动态范围的限制，难以准确响应磁场的变化；而贝叶斯测量方法凭借其指数增长的询问时间，能够在保持高灵敏度的同时，有效跟踪时变磁场，不确定性更小，展现出了强大的优势。

研究结论和讨论部分表明，研究人员通过实验成功实现了基于冷⁸⁷Rb 原子的 CPT 磁力仪对直流磁场的自适应高精度测量。这种测量方法不仅在灵敏度和动态范围上取得了重大突破，而且为下一代自适应冷原子量子传感器的发展开辟了新的道路。它使得冷原子量子传感器能够更好地利用实时测量历史来提升性能，有望在更多领域得到广泛应用，如生物医学中的微小磁场检测、地质勘探中的高精度磁场测绘等。同时，研究人员也指出，未来可以通过进一步改进实验条件，如使用光学陷阱捕获原子以提高空间分辨率，在特定波长和强度下捕获原子以延长相干时间，从而进一步提升冷原子磁力仪的性能，为相关领域的研究和应用带来更多的可能性。