華沙大學物理學院和新技術中心量子光學技術中心的一個研究小組在他們的工作中引入了一種使用“量子天線”測量難以檢測的太赫茲信號的新方法。科學家們使用了一種基於里德堡原子的創新無線電檢測裝置，不僅可以檢測太赫茲輻射，還可以檢測太赫茲輻射。但它也精確校準了這部分頻譜中的所謂頻率梳。直到最近，太赫茲範圍還被認為是電磁頻譜中的空白區域。以及期刊報導的方法 光學的 它為超靈敏光譜學和新型室溫量子傳感器打開了大門。
太赫茲（THz）輻射是電磁頻譜的一部分，位於電子和光學設備的邊界。它介於微波（用於 Wi-Fi）和紅外線之間，儘管它在無有害 X 射線的包裝檢查、超高速 6G 通信等應用方面具有巨大潛力。有機化合物的光譜學和成像。但將這種潛力轉化為精確而靈敏的測量在技術上非常困難。在過去的幾年中，科學家在太赫茲輻射的產生和檢測方面取得了重大進展。但直到現在他們還無法以所需的精度測量該區域的頻率梳。
頻率梳是一種超精密電磁尺。
為什麼這如此重要？ 2005 年獲得諾貝爾獎的頻率梳可以被認為是一把非常精確的尺子，而且不是由硬質材料製成的。但它來自光或無線電波。它不是毫米標記，而是具有嚴格定義頻率的一系列均勻間隔的線（“齒”）。這種“電磁尺”幫助物理學家以非凡的精度確定未知信號的頻率。只要確保“牙齒”匹配即可。因此，頻率梳作為參考標準，可用於在較寬的頻率範圍內校準和穩定多種類型的儀器。科學家們談論光、無線電或太赫茲的頻率梳。這取決於這根標尺在電磁頻譜上的位置。
太赫茲頻率梳特別有趣。這是因為它可以在振動頻率高於普通無線電波的頻段支持高精度校準和測量。然而，這種梳子很難高精度地測量。這是因為對於一般電子設備來說振盪太快。並且不能通過標準光學方法直接捕獲。研究人員能夠確定梳子“齒”之間的距離並測量整個頻譜的總功率。但確定單個牙齒可以提供多少動力仍然是一個重大挑戰。
里德伯原子變成量子天線
華沙大學新技術中心物理學院和量子光學技術中心的科學家們已經克服了這一障礙。首次測量了單個太赫茲齒發出的信號。為了實現這一目標，他們使用了在里德伯態中製備的銣氣體原子。里德伯原子被定義為通過精確調諧的激光照射將單個電子激發到非常高的軌道。這種“膨脹”的原子充當對外部電場極其敏感的量子天線。此外，當使用可調諧激光器時，可以調整探測器以響應該場內的一個特定頻率。整個範圍延伸至太赫茲波
傳統上，在里德伯電生理學中，奧特勒-湯斯分離現像用來測量電場。一個巨大的優點是測量結果僅取決於基本原子常數。它提供完全校準的讀數。這與傳統天線不同，傳統天線需要在專門的無線電實驗室進行繁瑣的校準。此外，由於原子具有完美的能量狀態，基於原子的系統本身也有一個標準。因此，此類傳感器幾乎可以在大範圍內連續調節。從直流（DC）信號到前面提到的太赫茲。
混合太赫茲光轉換可實現最大靈敏度。
然而，這種方法也有局限性：僅此方法不夠靈敏，無法記錄非常微弱的太赫茲信號。為了解決這個問題，研究小組進一步使用了華沙大學開發的無線電光轉換技術。並適應太赫茲輻射的需要。在此過程中，微弱的太赫茲信號被轉換為光學光子。使用單光子計數器可以以極高的靈敏度檢測到這一點。這種綜合方法是成功的關鍵。它將光子檢測的最高靈敏度與“恢復”該方法的校準能力相結合。即使信號最弱
里德伯格的原子傳感器具有校準精確頻率梳所需的所有功能：它可以調整到頻率梳的單齒。然後調整下一個齒和之後的齒的調音。科學家可以通過這種方式在很寬的頻率範圍內觀察數十顆牙齒。此外，由於了解原子的基本屬性，梳子因此可以直接校準。精確確定梳子的強度
太赫茲計量和未來技術的新路徑
華沙大學物理學家 Wiktor Krokosz、Jan Nowosielski、Bartosz Kasza、Sebastian Borówka、Mateusz Mazelanik、Wojciech Wasilewski 和 Michał Parniak 獲得的結果更能代表其他靈敏探測器的發展。他們的工作為新的計量領域奠定了基礎。借助里德伯原子，光頻梳動力學的使用可以擴展到以前難以解決的太赫茲區域。重要的是，與其他需要非常低溫度的量子技術不同，該系統在室溫下運行。這大大降低了成本。並使未來的交易更加現實。這為為下一代太赫茲技術創建參考測量標準創造了機會。
“量子光學技術”項目（FENG.02.01-IP.05-0017/23）是作為波蘭科學基金會國際研究議程措施 2.1 的一部分實施的。這項研究由歐盟2021-2027年現代經濟計劃優先級2（FENG）的歐盟共同資助，是國家科學中心資助的項目SONATA17和PRELUDIUM23）的成果之一。
