研究人员利用激发态的铷原子作为“量子天线”，成功实现了对太赫兹信号的精确测量。这项技术结合了原子测量与射频转光方法，解决了传统电子和光学手段难以捕捉太赫兹信号的难题。该方法不仅灵敏度高，还能在室温下运行，为太赫兹在通信、成像和精密测量等领域的应用开辟了新道路。
“电磁频谱空白区”的挑战
太赫兹（THz）辐射位于微波和红外线之间，是电磁波谱中一个长期以来难以利用的频段。尽管它在无害安检、超高速 6G 通信以及有机化合物成像等方面拥有巨大潜力，但技术上的困难限制了其发展。
- 测量困难：太赫兹的振荡频率对于传统电子设备来说太快，而对于标准光学方法又太慢。
- 应用受限：虽然在产生和探测太赫兹辐射方面取得了进展，但精确测量其频率一直是一个技术瓶颈。
作为“电磁标尺”的频率梳
频率梳是一种极其精确的测量工具，被誉为“电磁标尺”。它由一系列频率均匀间隔的“梳齿”组成，可以用来精确测量未知信号的频率。
就像一把标尺，频率梳通过查看未知信号与哪个“梳齿”对齐，就能以极高的精度确定其频率。
然而，在太赫兹频段，精确测量单个“梳齿”的功率一直是个重大挑战。研究人员能够测量梳齿间的间距或总功率，但无法分辨出单个梳齿的强度，这限制了太赫兹频率梳作为校准标准的应用。
基于里德堡原子的量子天线
为了解决这一难题，华沙大学的团队采用了一种创新的量子方法。
- 核心技术：他们使用激光将铷原子中的一个电子激发到高能轨道，形成一个“膨胀”的里德堡原子。
- 量子天线：这种原子对外部电场极为敏感，可以像天线一样工作，并能通过调节激光精确地调谐到特定的太赫兹频率。
- 自校准优势：与需要复杂校准的传统天线不同，这种原子测量方法仅依赖于基本原子常数，因此它本身就是一个绝对校准的标准。
结合光转换技术实现超高灵敏度
单纯的里德堡原子测量方法对于极弱的太赫兹信号来说灵敏度不足。为此，团队引入了一项混合技术。
他们将微弱的太赫兹信号转换为光学光子，然后使用高灵敏度的单光子计数器进行探测。这种方法结合了原子测量的精确校准能力和光子探测的超高灵敏度，即使是最微弱的信号也能被准确捕捉。
为太赫兹技术开辟新路径
这项研究成果的意义远不止于开发出一种新型探测器，它为太赫兹计量学奠定了新的基础。
- 精确校准：研究人员首次成功测量了太赫兹频率梳中单个梳齿的信号，并能逐个进行精确校准。
- 室温运行：与许多需要极低温环境的量子技术不同，该系统可在室温下工作，这极大地降低了成本，并使其商业化应用成为可能。
- 未来应用：这一突破有望为下一代太赫兹技术（如 6G 通信和精密光谱学）建立关键的测量标准。