在量子精密測量領(lǐng)域，如何更高效地開發(fā)與利用量子系綜資源，以提升量子精密測量的精度，特別是在增強(qiáng)原子鐘的功能、優(yōu)化其性能、并拓展更廣泛的應(yīng)用方面，仍是一個(gè)尚待開拓的研究領(lǐng)域，充滿挑戰(zhàn)與機(jī)遇。北京大學(xué)電子學(xué)院陳景標(biāo)教授團(tuán)隊(duì)在國際上首次利用不同量子躍遷之間的調(diào)制轉(zhuǎn)移過程，在單原子系綜中實(shí)現(xiàn)了雙波長光學(xué)頻率標(biāo)準(zhǔn)。該團(tuán)隊(duì)針對(duì)原子多能級(jí)結(jié)構(gòu)建立了理論模型，深入分析并實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了雙光學(xué)躍遷調(diào)制轉(zhuǎn)移譜（DOT-MTS）雙光鐘方案。這一創(chuàng)新不僅驗(yàn)證了單一量子體系同步實(shí)現(xiàn)兩種高穩(wěn)定性光鐘的可行性，還展現(xiàn)了在同一量子系統(tǒng)中構(gòu)建多種光鐘的潛力，為量子資源的高效利用提供了新途徑，為多光鐘集成與量子傳感網(wǎng)絡(luò)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果以“Single-atomic-ensemble dual-wavelength optical frequency standard”為題發(fā)表于Photonics Research2025年第3期，被遴選為封面文章。

該工作成功展示了在單一量子系綜中實(shí)現(xiàn)多個(gè)波長標(biāo)準(zhǔn)的創(chuàng)新方法，通過在不同量子躍遷之間的實(shí)現(xiàn)調(diào)制，首次基于單一量子系綜實(shí)現(xiàn)了雙光學(xué)波長量子頻率標(biāo)準(zhǔn)。在這一過程中，泵浦光束的調(diào)制頻率邊帶與87Rb D2線（780nm）共振，并同時(shí)傳遞到780nm（與87RbD2線共振）和795nm（與87Rb D1線共振）探測光束上。借助調(diào)制雙轉(zhuǎn)移新技術(shù)，780nm和795nm激光在熱原子系綜中實(shí)現(xiàn)了同時(shí)穩(wěn)頻，頻率不穩(wěn)定度都達(dá)到10^-14量級(jí)（根據(jù)殘余誤差信號(hào)估算）。此方法開辟了單量子系綜多波長頻率標(biāo)準(zhǔn)新方向，首次在單一原子氣體池中實(shí)現(xiàn)了雙波長激光穩(wěn)頻，開創(chuàng)了多躍遷協(xié)同鎖定的新范式，為在同一系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)多個(gè)量子頻率標(biāo)準(zhǔn)、增強(qiáng)量子相干性、量子信息資源的增效利用提供了新的思路。未來，團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步探索其中的基礎(chǔ)物理原理及其復(fù)雜的相互關(guān)系，以推動(dòng)量子精密測量技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

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實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

未來，這項(xiàng)技術(shù)有望應(yīng)用于不同的原子體系及其結(jié)構(gòu)，特別是碘分子，其豐富的光譜特性為開發(fā)多波長頻率標(biāo)準(zhǔn)提供了巨大的潛力，能夠顯著提升精密測量能力，從而為長度計(jì)量學(xué)和引力波探測提供支撐。同時(shí)，該方案還為未來高精度多波長光鐘和量子傳感網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建提供了新的技術(shù)路徑。

該研究在陳景標(biāo)和北京大學(xué)電子學(xué)院潘多副研究員的指導(dǎo)下順利完成，論文第一作者為博士生苗杰，其他參與研究的成員還包括博士生陳京明和楊巧會(huì)。研究得到了中國科學(xué)院國家授時(shí)中心于得水研究員的支持。此外，研究工作還得到了北京市科技新星計(jì)劃、量子科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新重大項(xiàng)目以及溫州重大科技創(chuàng)新重點(diǎn)項(xiàng)目的資助與支持。