【Quantum Research】DARPA宣布成立研究小组以推进原子蒸气的基础科学

原创掰棒子的防务菌从心推送的防务菌

近几年来，信息科学和传感领域的量子研究表现出巨大的应用前景有助于实现多种新的国防应用。然而，量子技术从实验室研究向实际应用过渡的一个主要障碍是：需要大量设备去冷却和捕获原子才能利用其量子特性。为此，美国国防科学高级计划研究局（DARPA）于2020年9月1日宣布启动“用于新技术的原子蒸汽科学”（SAVaNT）项目，将探索基于室温原子蒸气的一系列新技术，填补军事相关应用的重要空白。

经过一年的筛选，DARPA于2021年9月3日宣布选择了八个工业和大学研究团队来支持“用于新技术的原子蒸汽科学”项目，他们分别是：

冷量子（ColdQuanta）公司——科罗拉多州博尔德市
佐治亚理工学院——佐治亚州亚特兰大市
量子谷创意实验室（Quantum Valley Ideas Laboratories）——加拿大安大略省滑铁卢市
里德堡技术公司（Rydberg Technologies）——密歇根州安阿伯市
双生叶（Twinleaf LLC）公司——新泽西州普莱恩斯博罗
科罗拉多大学——科罗拉多州博尔德市
马里兰大学——马里兰州学院公园
威廉和玛丽大学——弗吉尼亚州威廉斯堡

这八个研究团队将开发创新的方法来推动室温下原子蒸汽的性能极限，并利用其独特的优势为美国国防部展示新的能力。另外一个研究团队已经被选中，预计将在未来几个月内签订合同。

被选中的SAVaNT项目研究团队将专注于暖原子蒸气，而不是冷原子技术。这种方法不需要复杂的激光冷却，并允许更大数量的原子以提高信号。然而，挑战在于热环境效应——即使是在室温下也会显著地降低了量子相干性的持续时间。

对此，DARPA国防科学办公室（DSO）负责SAVaNT项目的项目经理塔贾纳·库契奇（Tatjana Curcic）表示：“基于蒸汽的技术在室温或接近室温的情况下运行，不需要复杂的激光冷却和捕获，仍然提供来自原子原始性质的优势。我们对SAVaNT中的研究团队的质量感到兴奋，他们将把原子蒸气的性能推向可能的极限。”

SaVANT研究团队将为解决国防部重要需求和技术差距的新技术奠定基础，包括需要低尺寸、重量和功率（SWaP）、高灵敏度电场和磁场测量的应用，以及需要强原子-光耦合的量子信息科学应用。该项目所有技术领域的共同科学挑战是改善室温下原子蒸气的相干性。

按阶段和技术领域划分的SAVaNT项目指标

SaVANT项目分为两个阶段：第一阶段将着重于研究团队在解决技术挑战的物理学。第二阶段将展示一个综合的台式物理包，并确定性能交易空间的特征。并根据原子蒸气有望产生最大影响的应用领域，设立了三个技术领域：一是里德堡电测法，开发里德堡原子传感器，利用原子感应电场，为毫米波提供超窄带宽、高灵敏度的电场探测；二是矢量磁测法，关注矢量测磁技术，以实现小尺寸、低重量、小功率的室温磁场传感器；三是蒸汽量子电动力学（vQED），使量子网络的关键部件能在室温工作，而当前的方法需要低温或者激光冷却及捕获。

SAVaNT项目三个技术领域

一、里德堡电测法

由量子谷创意实验室领导的团队将追求新的汽化池设计和读出方法，以开发一个低SWaP设备，用于高灵敏度的里德堡电测法。
由冷量子公司领导的团队将在汽化室的里德堡原子传感器中结合射频外差检测和新型场增强技术，以实现高灵敏度和窄瞬时带宽。
由里德堡技术公司领导的团队试图通过开发新的蒸气制备和读出方法以及激光稳定技术来提高里德堡电测法的灵敏度。

二、矢量磁测法

由双生叶公司领导的团队旨在开发一种新型的矢量磁场传感器，使用高碱密度的量子系统，并使用碱自旋保护涂层延长量子相干时间，以达到高精度和高灵敏度。
科罗拉多大学领导的团队力图在一个小型MEMS蒸气电池封装中开发一种新型矢量标度原子磁力计，通过结合两种独立的测量协议和腔体增强，可以同时达到高精确度和良好的灵敏度。
由威廉和玛丽大学领导的团队将使用一种新的矢量场提取方法，这种方法是基于全光激发和电磁诱导透明（EIT）对汽化池中的原子组合的询问，将准确性、长期稳定性和矢量模式结合到一个单一的传感单元。

三、蒸汽量子电动力学（vQED）