【校级报告】基于贝叶斯估计的冷原子量子传感

报告题目：基于贝叶斯估计的冷原子量子传感

报告人：李朝红 教授（深圳大学）

主持人：徐信业 教授

报告时间：2025年4月14日（周一）15：00

报告地点：华东师大闵行校区光学大楼A508会议室

报告摘要：

通过量子探针对特定物理量进行测量，量子传感可利用量子资源提高测量灵敏度，结合发展成熟的光电集成技术，将引领下一代传感器件的发展。在基于Ramsey干涉的频次测量中，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，如何兼顾高灵敏度和高动态范围对量子传感至关重要。将贝叶斯统计与量子参数估计相融合，贝叶斯量子估计能在积分时间尺度上突破传统频次测量的瓶颈，可在逐步提升灵敏度的同时维持高动态范围。基于冷原子的CPT-Ramsey干涉，我们团队设计并实验实现了适用于CPT钟和CPT磁力计的贝叶斯量子估计算法。针对冷原子钟，我们设计了钟频率的贝叶斯估计算法，利用具有指数增长积分时间的关联测量序列，同时自适应调节本地振荡器的频率，实现了在总积分时间尺度上达海森堡标度的钟频率测量；进一步，将本地振荡器频率直接锁定在钟跃迁频率上，实现了原子钟的贝叶斯闭环锁定；相对于传统的PID锁定，利用贝叶斯量子估计锁定的原子钟的稳定度提高了5.1(4)dB。针对冷原子磁力计，设计了具有特定关联的自适应测量序列，将磁场测量精度与总积分时间T的标度从提升到；利用关联测量序列的记忆效应维持高动态范围，实现了动态范围为145.6 nT和测量灵敏度为6.8±0.1 pT/Hz^1/2的冷原子CPT磁力计；与最优频次测量相比（灵敏度为14.7±0.4 pT/Hz^1/2、动态范围为5.0nT），贝叶斯量子估计将磁场测量的灵敏度提升了3.3(0.1)dB，动态范围提升了14.6dB。上述研究不仅可推动高精度冷原子量子传感的发展，而且有助于探索基于干涉测量的智能量子传感。

1 Chengyin Han, Zhu Ma, Yuxiang Qiu, Ruihuan Fang, Jiatao Wu, Chang Zhan,Maojie Lee, Jiahao Huang, Bo Lu, and Chaohong Lee, Atomic clock locking withBayesian quantum parameter estimation: Scheme and experiment. Phys. Rev. Appl., 22(4): 044058 (2024).

2 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. Sci. Adv., 11(9): eadt3938 (2025).

报告人简介：

李朝红，深圳大学讲席教授、量子精密测量研究所所长，广东省量子精密测量与传感重点实验室创始主任，国家杰出青年科学基金获得者，国家特支计划科技创新领军人才，科技部创新推进计划领军人才。2003年从中科院武汉物理与数学研究所获博士学位，2003年至2009年先后在德国马普复杂系统研究所和澳大利亚国立大学从事科学研究，2009年加入中山大学任教授，2022年加入深圳大学任特聘教授，2024年任讲席教授。主要研究冷原子物理与量子精密测量，研究工作涵盖: 冷原子晶格体系的量子关联与新奇量子物态; 玻色凝聚原子体系跨越相变的普适量子临界动力学;冷原子量子精密测量与量子传感等。已在Rev. Mod. Phys.、Nature Physics、Phys. Rev. Lett.、Nature Communications、PRX Quantum、Appl. Phys. Rev.等高水平国际期刊发表SCI论文120余篇。多个理论工作被苏黎世理工学院Essllinger教授团队、诺贝尔物理奖得主Wineland教授团队等国际著名研究组的后续实验证实。