近日，清华大学物理系尤力课题组在基于里德堡原子的微波电场精密探测研究方面取得重要进展。课题组首次在室温热里德堡原子体系中实现并利用非厄米系统的奇异点（Exceptional Point, EP），显著提升了里德堡原子微波电场探测的灵敏度，为开放量子系统中的高灵敏量子传感提供了一种全新的实现方案。
里德堡原子因其具有巨大的电偶极矩，对外电场极为敏感，是新一代量子电场传感的重要候选体系。传统里德堡原子电场探测主要依赖电磁诱导透明（EIT）和Autler–Townes（AT）分裂效应，其信号响应与电场强度呈线性关系。然而，在真实实验条件下，里德堡原子系统不可避免地受到自发辐射和退相干等耗散过程的影响，其动力学本质上属于非厄米系统。如何在这种耗散环境中进一步突破灵敏度瓶颈，一直是该领域的关键科学问题。
图1 里德堡原子体系中奇异点的系统模型。（a）四能级里德堡原子能级结构示意图。（b）不同微波拉比频率下的探测光透射谱，微波场增强导致 EIT 峰分裂。（c）峰分裂随微波场强度的变化关系：厄米体系呈线性响应，而非厄米体系在奇异点附近表现出显著的非线性增强，对应吸收区、非线性区和 Autler–Townes 区域。
针对这一挑战，我们从非厄米物理的基本机理出发，基于系统的主方程计算，系统研究了耗散对里德堡原子AT光谱响应的影响，提出并实验实现了一种基于奇异点增强的里德堡原子微波电场探测新方案。研究表明，在精心设计的四能级里德堡原子体系中，通过调控激光与微波场参数，可以在无需引入增益介质或低温条件的情况下，在室温热原子蒸汽池中构造二阶奇异点。靠近奇异点时，体系对微弱微波电场的响应由传统的线性标度转变为平方根型非线性标度，从而实现对弱信号的显著放大。
图2奇异点增强探测的实验模型。（a）实验装置示意图。（b）奇异点附近的非线性增强响应。峰分裂随微波扰动呈平方根标度，验证了奇异点增强效应。（c）电场探测性能。在最优工作点下实现了 22.68 nV·cm⁻¹·Hz⁻¹/²的微波电场探测灵敏度。
实验结果显示，在奇异点附近，里德堡原子电场探测的响应度相较于传统 AT 探测方案提升近20 倍。进一步结合幅度型读出方法，研究团队在现实实验条件下实现了 22.68(3) nV·cm⁻¹·Hz-1/2的微波电场探测灵敏度，达到当前里德堡原子电场传感技术的先进水平。同时，该体系不仅能够高灵敏度测量微波电场的幅值，还可实现对信号频率和相位的精确探测，展现出在复杂电磁环境感知、量子通信与新体制雷达等方向的应用潜力。
该研究成果以“Exceptional Point-enhanced Rydberg Atomic Electrometers”为题，于2026 年2月5日发表在物理学权威期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）。北京清华前沿交叉创新研究院梁超（已出站，现就职于）为论文第一作者兼通讯作者，尤力教授为论文共同作者，合作者还包括中国航天科技体系与创新研究院杨策和黄伟工程师。
该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、量子科技创新项目，以及合肥国家实验室和北京自然科学基金的支持。
文章链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/jptr-pm37
