无损检测可以加快冷原子量子传感器的速度

多次测量：实验设置。(由Cyril FRESILLON / SYRTE / FIRST-TF / CNRSPhotothèque提供)

基于冷原子干涉法的量子传感器是基础物理学中最精确的仪器之一，其预测应用包括对地下结构进行测绘和创建更精确的导航系统。然而，它们的速度受到以下事实的限制：测量过程通常会破坏精心准备的原子样品，这意味着必须为每次测量创建一个新样品。即使最快的传感器也要花费几百毫秒。

法国巴黎天文台的SYRTE研究人员开发了一种新的非破坏性方法，该方法使用微波来测量特定量子态下的原子数或原子团数。这种新方法使实验人员能够每秒进行近3万次量子感测测量，这一速率可以使其在与目前的商用设备竞争的时间范围内完成大规模调查。

微波检测原理

可以使用现有方法进行冷原子的无损测量。但是，经常需要复杂的光学系统，因此很难创建紧凑，实用的传感器。William Dubosclard，Seungjin Kim和Carlos L Garrido Alzar的SYRTE团队通过开发基于微波的系统解决了这个问题。他们的解决方案利用了这样一个事实，即天线辐射到介质中的微波功率取决于该介质的辐射电阻。

检测增强：图示说明由于存在原子共振跃迁而导致的反射微波的光谱灵敏度。这是无损检测的工作原理。(来源：CL Garrido Alzar)

在SYRTE实验中，介质是在约3 µK的温度下制备的10000个sample原子的样品。通过使用天线将一束微波引导到原子上，然后观察原子反射的微波信号，实验人员可以检测到原子的量子态。尽管微波反射微弱，但是当研究人员在共振原子跃迁上扫描微波频率时，研究人员看到了明显的变化。

证明有效：检测冷原子

该团队通过测量称为拉比振荡的相干量子效应，证明了其检测方法的非破坏性。当施加近共振光时，这些正弦图形出现在原子团在两个原子能状态之间振荡时出现，它们构成了冷原子干涉法的基础。在典型的实验中，通过创建多个原子样本并为每个样本获取一个数据点来观察这些模式。然而，在这种情况下，研究人员设法用一个样本观察了拉比振荡，方法是使用一根微波天线驱动振荡，再用一根微波天线进行重复检测。

量子传感器以重力和磁力为目标

他们观察到，与多样本方法相比，用他们的方法获得的振荡幅度之间没有差异。这证实了他们的技术即使将检测带宽增加到30 kHz，也不会引起任何额外的原子和退相干损失。

Garrido Alzar告诉《物理世界》，他们现在计划表征其新颖的检测方法的噪声水平，并研究其将如何影响量子惯性传感器的性能。这项研究发表在《通信物理学》上。