研究亮点

马翥，韩成银，谭智，何海华，史深圳，康鑫，吴嘉涛，黄嘉豪，鹿博，李朝红

摘要：基于传统频次估计的冷原子磁力计无法兼顾高灵敏度与高动态范围。基于贝叶斯量子估计，我们利用自适应关联干涉测量序列突破传统频次测量限制，不仅将冷原子磁力计的测量精度与总积分时间T的标度从T^-0.5提升到T^-0.85，还能维持高动态范围，实现了兼顾高灵敏度和高动态范围的自适应冷原子磁力计。

精密磁场测量在基础研究和实际应用中均具有重要意义。在基础研究中，它在超导特性、暗物质探测和手性检测等领域扮演着关键角色；同时，在医疗诊断、地质勘探和航空航天等实际应用中也发挥着不可替代的重要作用。冷原子磁力计是一种极具应用潜力的量子传感器，利用激光冷却的原子系综作为探针，通过测量原子能级在待测磁场中的变化来确定磁场的强度和方向。得益于冷原子的优良特性，冷原子磁力计已实现高空间分辨率和高灵敏度。然而，仍面临两个关键挑战：一是如何突破传统频次测量的极限，二是如何同时实现高动态范围和高灵敏度。

针对这些挑战，我们利用贝叶斯量子估计，设计了基于冷原子相干布居囚禁-拉姆齐（CPT-Ramsey）干涉的磁场学习算法[图1（a）]，国际首次实现了兼顾高灵敏度和高动态范围的自适应冷原子磁力计。在传统频次测量中，每次测量之间是独立的，导致不确定度与总积分时间T遵循散粒噪声极限（标准量子极限）的标度T^-0.5。应用贝叶斯量子估计，通过设计具有特定关联的自适应CPT-Ramsey干涉测量序列，我们实验上将磁场测量精度与总积分时间T的标度从T^-0.5提升到T^-0.85[图1（b）]。此外，基于贝叶斯量子估计的磁场学习算法所需的CPT-Ramsey干涉测量次数仅为传统频次估计的一半，从而实现测量灵敏度提升3 dB。

在传统的Ramsey干涉频次测量中，测量灵敏度和动态范围由Ramsey自由演化时间决定。自由演化时间越短，动态范围越大，但灵敏度低；自由演化时间越长，灵敏度越高，但动态范围小。因此，基于传统频次测量的冷原子磁力计难以兼顾高动态范围和高灵敏度。应用贝叶斯量子估计，通过设计关联干涉测量序列，第一次干涉测量具有最小的自由演化时间，后续干涉测量的自由演化时间逐步指数递增，实现了在灵敏度逐步提升的同时，维持在最小自由演化时间决定的高动态范围[图1（c）]。为了验证贝叶斯磁场测量的性能，我们阶梯地改变磁场大小，贝叶斯方法不仅能追踪最优灵敏度下频次测量无法追踪的磁场变化，还能维持高灵敏度[图1（d）]。通过结合量子传感与贝叶斯估计，我们成功解决了在磁场测量中难以兼顾高动态范围与高灵敏度的难题。随着原子操控技术的不断进步，利用贝叶斯量子估计在不牺牲动态范围的情况下，通过更长的探测时间，能实现更高的灵敏度。