近日，深圳大學量子精密測量研究所和物理與光電工程學院李朝紅教授團隊在冷原子磁力計研究中取得重要突破。通過融合貝葉斯量子估計理論，該團隊創(chuàng)新性地研發(fā)出基于冷原子探針的磁場學習算法，并自主搭建原理樣機進行實驗驗證，有效解決了冷原子磁力計在高靈敏度與高動態(tài)范圍難以兼顧的技術(shù)難題，使其綜合性能達到國際領(lǐng)先水平。該研究成果于2025年2月28日發(fā)表在國際頂級期刊Science Advances上 [Sci. Adv. 11, eadt3938 (2025)]。論文共同第一作者是深圳大學與中山大學聯(lián)合培養(yǎng)的博士研究生馬翥和深圳大學助理教授韓成銀，共同通訊作者為深圳大學副教授鹿博和教授李朝紅。
研究背景
精密磁場測量在基礎(chǔ)研究和實際應用中均具有重要意義。在基礎(chǔ)研究中，它在超導特性、暗物質(zhì)探測和手性檢測等領(lǐng)域扮演著關(guān)鍵角色；同時，在醫(yī)療診斷、地質(zhì)勘探和航空航天等實際應用中，精密磁場測量也發(fā)揮著不可替代的重要作用。
冷原子磁力計是一種極具應用潛力的量子傳感器，利用激光冷卻的原子系綜作為探針，通過測量原子能級在待測磁場中的變化來確定磁場的強度和方向。得益于冷原子的優(yōu)良特性，冷原子磁力計已實現(xiàn)高空間分辨率和高靈敏度。然而，仍面臨兩個關(guān)鍵挑戰(zhàn)：一是如何突破傳統(tǒng)頻次測量的極限，二是如何同時實現(xiàn)高動態(tài)范圍和高靈敏度。
針對這些挑戰(zhàn)，李朝紅教授團隊提出了創(chuàng)新解決方案：利用貝葉斯量子估計，設(shè)計了基于冷原子相干布居囚禁-拉姆齊（CPT-Ramsey）干涉的磁場學習算法，國際首次實現(xiàn)了兼顧高靈敏度和高動態(tài)范圍的自適應冷原子磁力計。這一突破性進展為智能冷原子量子傳感器的發(fā)展開辟了新路徑（如圖1所示）。
圖1 基于貝葉斯機器學習的冷原子磁力計
研究亮點
技術(shù)突破1：利用自適應的關(guān)聯(lián)干涉測量序列突破傳統(tǒng)頻次測量的極限
在傳統(tǒng)頻次測量中，每次測量之間是獨立的，導致不確定度與總積分時間T遵循散粒噪聲極限（標準量子極限）的標度T^(-0.5)。應用貝葉斯量子估計，李朝紅教授團隊設(shè)計了具有特定關(guān)聯(lián)的自適應CPT-Ramsey干涉測量序列，將不確定度與總積分時間T的標度從T^(-0.5)提升到T^(-0.85)。此外，基于貝葉斯量子估計的磁場學習算法所需的CPT-Ramsey干涉測量次數(shù)僅為傳統(tǒng)頻次估計的一半，從而實現(xiàn)測量靈敏度提升3 dB。這一方案如同為冷原子磁力計配備了一臺“智能推進器”，突破了傳統(tǒng)頻次測量的極限。相關(guān)結(jié)果見圖2（A）和（B）。
技術(shù)突破2：利用關(guān)聯(lián)干涉測量序列的記憶效應維持高動態(tài)范圍
在傳統(tǒng)的Ramsey干涉頻次測量中，測量靈敏度和動態(tài)范圍由Ramsey自由演化時間決定。自由演化時間越短，動態(tài)范圍越大，但靈敏度低；自由演化時間越長，靈敏度越高，但動態(tài)范圍小。因此，基于傳統(tǒng)頻次測量的冷原子磁力計難以兼顧高動態(tài)范圍和高靈敏度。應用貝葉斯量子估計，李朝紅教授團隊設(shè)計了一類精巧的關(guān)聯(lián)干涉測量序列，第一次干涉測量具有最小的自由演化時間，后續(xù)干涉測量的自由演化時間逐步指數(shù)遞增，實現(xiàn)了在靈敏度逐步提升的同時，維持在最小自由演化時間決定的高動態(tài)范圍。這一方案如同為冷原子磁力計裝上了一塊“記憶芯片”，在實現(xiàn)高靈敏度的同時保持高動態(tài)范圍。相關(guān)結(jié)果見圖2（C）。
圖2 貝葉斯冷原子磁力計的性能。（A） 不確定度與總探測時間的標度；（B） 靈敏度與總探測時間的標度；（C）頻次測量與貝葉斯測量跟隨階梯變化磁場的追蹤圖。
未來展望
通過結(jié)合量子傳感與貝葉斯機器學習，冷原子磁力計成功解決了在磁場測量中難以兼顧高動態(tài)范圍與高靈敏度的難題。隨著原子操控技術(shù)的不斷進步，研究人員能夠在不犧牲動態(tài)范圍的情況下，追求更長的探測時間，以實現(xiàn)更高的靈敏度。展望未來，這種“量子傳感+人工智能”的深度融合將為下一代智能量子傳感器的發(fā)展注入強大動力，推動其在地質(zhì)勘探、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療診斷、材料檢測及基礎(chǔ)科學探索等多個領(lǐng)域的廣泛應用，開辟出新的科學研究與實際應用前景。
論文鏈接：Zhu Ma, Chengyin Han, Zhi Tan, Haihua He, Shenzhen Shi, Xin Kang, Jiatao Wu, Jiahao Huang, Bo Lu, and Chaohong Lee, Adaptive cold-atom magnetometry mitigating the trade-off between sensitivity and dynamic range, Science Advances 11, eadt3938 (2025).
https://doi.org/10.1126/sciadv.adt3938
