复旦大学物理学系的李晓鹏课题组与北京大学的合作者在电磁力的量子感知技术上取得新突破，通过操控光晶格中的量子物质波，完成了对二维微弱力的量子精密测量，感知灵敏度达到2E-26 N/√Hz，突破机械测力方法对应的标准量子极限近一个数量级。相关研究成果以题为“Quantum precision measurement of two-dimensional forces with 10-28Newton stability”的论文，于2022年11月30号发表于Science Bulletin杂志，并被选为杂志封面文章。

图1杂志封面

力是物理学的基本研究对象。微弱力的测量一直是验证基本物理、发现新物理的关键，决定了我们对从微观到宏观的基本物理定律的认识，包括超越标准模型的新物理发现、真空涨落测定、引力波探测、暗物质探索等。同时，力的测量在诸多领域具有直接的技术应用，广泛运用于材料表面形貌的表征、重力仪、惯性导航等。高精度的微弱力测量直接决定我们基础科学认知的层次和技术应用中的测量精度。

传统的测量力的方法采用物体的机械运动，需要测定物体在施加力的过程中初末状态的空间坐标，用以标定加速度。研究表明该测量方法因量子力学中基本的海森堡不确定关系受限于一个标准量子极限。研究人员做了长期的努力，在多种不同的实验体系中将技术细节发挥到极致，用以提升力的测量灵敏度。近期发展的单离子对静电场力的感知技术达到了1E-19 N/√Hz的测量灵敏度。

图2：实验通过三角光晶格中原子形成量子物质波，完成了对二维电磁力高灵敏的量子测量

北京大学和复旦大学的联合研发团队，长期致力于冷原子量子系统的研究，发展了多项对光晶格中冷原子外态控制的原创技术，可以对数十万原子形成的量子物质波进行高精度的量子调控。实验采用光晶格将物质波的空间运动和动量空间运动分离开，完成了对量子物质波波矢的控制和测量（如上图所示）。同时，物质波在光晶格中的布拉格散射给出了标定物质波波矢大小和方向的精确二维坐标。这种量子测量技术可以直接精确地测量出物质波在力作用下的波矢积累，而不需要测量原子的空间位置变化。该技术通过量子物质波建立了力和普朗克常数之间的直接联系，无需对原子质量、原子数、原子磁矩等物理量进行标定，也就不会受到这些物理量的测量不确定度的影响。实验中量子物质波对力的感知灵敏度达到2E-26 N/√Hz, 突破了上述标准量子极限近一个数量级。团队进行了数千次的量子物质波重复实验，完成了对一个极微弱力的测量，大规模数据的统计分析表明测量精度达到1E-28 N，这个力相当于厘米尺度下原子间范德瓦尔斯力的作用强度。

该项成果在2022年11月30日，发表于Science Bulletin 67，2291，并被选为杂志封面文章。论文的通讯作者为复旦大学的李晓鹏教授，北京大学的张熙博副教授和周小计教授。

此项研究受到国家自然科学基金委、国家科技部重点研发计划、上海市科委、空间总体部的支持。