近日，深圳大學(xué)量子精密測量研究所和物理與光電工程學(xué)院李朝紅教授團(tuán)隊(duì)在冷原子磁力計(jì)研究中取得重要突破。通過融合貝葉斯量子估計(jì)理論，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地研發(fā)出基于冷原子探針的磁場學(xué)習(xí)算法，并自主搭建原理樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，有效解決了冷原子磁力計(jì)在高靈敏度與高動(dòng)態(tài)范圍難以兼顧的技術(shù)難題，使其綜合性能達(dá)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(xué)與中山大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)的博士研究生馬翥和深圳大學(xué)助理教授韓成銀，共同通訊作者為深圳大學(xué)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(shí)際應(yīng)用中均具有重要意義。在基礎(chǔ)研究中，它在超導(dǎo)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(shí)，在醫(yī)療診斷、地質(zhì)勘探和航空航天等實(shí)際應(yīng)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(jì)是一種極具應(yīng)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(qiáng)度和方向。得益于冷原子的優(yōu)良特性，冷原子磁力計(jì)已實(shí)現(xiàn)高空間分辨率和高靈敏度。然而，仍面臨兩個(gè)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(shí)實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍和高靈敏度。

針對這些挑戰(zhàn)，李朝紅教授團(tuán)隊(duì)提出了創(chuàng)新解決方案：利用貝葉斯量子估計(jì)，設(shè)計(jì)了基于冷原子相干布居囚禁-拉姆齊（CPT-Ramsey）干涉的磁場學(xué)習(xí)算法，國際首次實(shí)現(xiàn)了兼顧高靈敏度和高動(dòng)態(tài)范圍的自適應(yīng)冷原子磁力計(jì)。這一突破性進(jìn)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(jī)器學(xué)習(xí)的冷原子磁力計(jì)

研究亮點(diǎn)

技術(shù)突破1：利用自適應(yīng)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(dú)立的，導(dǎo)致不確定度與總積分時(shí)間T遵循散粒噪聲極限（標(biāo)準(zhǔn)量子極限）的標(biāo)度T^(-0.5)。應(yīng)用貝葉斯量子估計(jì)，李朝紅教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了具有特定關(guān)聯(lián)的自適應(yīng)CPT-Ramsey干涉測量序列，將不確定度與總積分時(shí)間T的標(biāo)度從T^(-0.5)提升到T^(-0.85)。此外，基于貝葉斯量子估計(jì)的磁場學(xué)習(xí)算法所需的CPT-Ramsey干涉測量次數(shù)僅為傳統(tǒng)頻次估計(jì)的一半，從而實(shí)現(xiàn)測量靈敏度提升3 dB。這一方案如同為冷原子磁力計(jì)配備了一臺(tái)“智能推進(jìn)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(yīng)維持高動(dòng)態(tài)范圍

在傳統(tǒng)的Ramsey干涉頻次測量中，測量靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍由Ramsey自由演化時(shí)間決定。自由演化時(shí)間越短，動(dòng)態(tài)范圍越大，但靈敏度低；自由演化時(shí)間越長，靈敏度越高，但動(dòng)態(tài)范圍小。因此，基于傳統(tǒng)頻次測量的冷原子磁力計(jì)難以兼顧高動(dòng)態(tài)范圍和高靈敏度。應(yīng)用貝葉斯量子估計(jì)，李朝紅教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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(shí)間，后續(xù)干涉測量的自由演化時(shí)間逐步指數(shù)遞增，實(shí)現(xiàn)了在靈敏度逐步提升的同時(shí)，維持在最小自由演化時(shí)間決定的高動(dòng)態(tài)范圍。這一方案如同為冷原子磁力計(jì)裝上了一塊“記憶芯片”，在實(shí)現(xiàn)高靈敏度的同時(shí)保持高動(dòng)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(jì)的性能。（A） 不確定度與總探測時(shí)間的標(biāo)度；（B） 靈敏度與總探測時(shí)間的標(biāo)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(jī)器學(xué)習(xí)，冷原子磁力計(jì)成功解決了在磁場測量中難以兼顧高動(dòng)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(jìn)步，研究人員能夠在不犧牲動(dòng)態(tài)范圍的情況下，追求更長的探測時(shí)間，以實(shí)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(qiáng)大動(dòng)力，推動(dòng)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(xué)探索等多個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，開辟出新的科學(xué)研究與實(shí)際應(yīng)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