近日，中山大学罗乐教授科研团队，在美国物理联合会期刊《应用物理快报》Applied Physics Letters发表题为“A single-atom mechano-optical transducer for sensing sub-attonewton vector DC force”论文。该论文通过射频微波-自发辐射光子关联技术，利用单个囚禁离子实现了对极微弱直流力的多维度精密传感，把微弱直流力的测量扩展到仄 （10^-21）牛顿范围，并实现了多个维度的矢量力传感。该研究为后续基于囚禁离子系统研发高精度的力传感器提供了理论和实验的指导。

相关学术文章链接：A single-atom mechano-optical transducer for sensing sub-attonewton vector DC force: Applied Physics Letters: Vol 121, No 25 (scitation.org)

精确测量物体的受力、加速度等物理量一直是精密测量领域的重要研究课题。随着测量精度不断提高，经典的力学传感器已经接近其测量极限，使用囚禁原子、离子等量子体系实现高精度和高灵敏度的测量已经成为精密测量领域的重点研究课题。近年来，随着囚禁离子实验技术的飞速发展，囚禁离子不仅在量子计算领域具有巨大的潜力，还在单个囚禁离子的量子操作方面具有高灵敏和高精密的特性，再配上高探测效率的实验系统，使得囚禁离子在精密测量领域也展现出极大的应用前景。

目前，基于囚禁离子的弱力传感器，对微弱力的测量灵敏度有望达到10^-24牛顿，但是要达到这一灵敏度，目前的方法大多数需要对所探测力进行交流调制，利用锁相放大等一系列方法来测量交流力的幅度，对未加调制的直流力进行测量，一直是该领域的一个难点。

近年来，中山大学罗乐教授团队在囚禁离子量子计算机的研发和囚禁离子精密测量实验的研究取得了突破性进展。2021年，团队首次将神经网络技术应用于囚禁离子量子比特的微运动控制中，实现微运动抑制的自动化处理并达到国际领先水平。此外，在消除离子微运动、完善离子阱系统之后，针对未加调制的微弱直流电场力难以直接测量这一技术难题，罗乐教授团队提出了在囚禁离子系统中，采用“直流力耦合离子内禀运动模式、内禀运动模式耦合自发辐射光子”的创新思路，实现了多维度矢量直流力的测量并扩展到仄（10^-21）牛顿测量范围。

实验小组通过给刀片阱的不同电极施加不同的微弱电压，使得离子偏离囚禁稳定点，产生微运动，然后使用射频微波-自发辐射光子关联技术对微运动进行测量，建立离子微运动系数与离子位移、离子所受静电力之间的数学关系，最终得到微弱直流力的大小。实验方案和流程如下图1所示：

图1. 基于囚禁离子微运动的力敏传感器

(a) 利用机-光转换测量微弱力的基本方案；(b) 利用机-光转换方案进行力学传感的实验流程图；(c) 离子的射频-光子关联荧光。

囚禁离子测量微弱直流力这项技术的成功实现对科学研究及工程制造都产生深远的影响。在科学研究方面，它有助于探测标准模型外的新奇相互作用，例如第五种力；在工程制造方面，它有助于利用囚禁离子工程机研发高精度测量传感器，例如重力传感器、惯性导航仪等，为后续商用囚禁离子的高精度测量传感器的研发奠定坚实的技术基础。此外，该技术还可以与其他科学实验相结合，利用囚禁离子工程机实现对重力加速度g、万有引力常数G、引力波等物理量的测量，极大地拓展了囚禁离子工程机的应用前景。