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(xué)習(xí)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(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，在醫(yī)療診斷、地質(zhì)勘探和航空航天等實際應(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(xué)習(xí)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(yīng)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(xué)習(xí)的冷原子磁力計
研究亮點
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，每次測量之間是獨立的，導(dǎo)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(yīng)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(yīng)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(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(yīng)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(yīng)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(xué)習(xí)，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(xué)探索等多個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，開辟出新的科學(xué)研究與實際應(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
