里德堡原子具有丰富的能级结构，不同里德堡态之间的跃迁覆盖微波、毫米波等频段。通过选择不同里德堡态和测量方式，其电场探测范围可以从直流一直延伸到太赫兹。

但宽频覆盖并不意味着可以在整个频率范围内连续保持高灵敏探测。

由于里德堡能级是离散的，高灵敏共振探测只发生在特定跃迁频率附近。一个工作状态通常只能覆盖有限频段，若要测量相距较远的频率，就需要切换到其它里德堡态。

为进一步拓展里德堡原子的宽频探测能力，2025 年，美国国家标准与技术研究院（NIST）团队提出利用光频率梳同时激发多个离散里德堡态，从而建立多个彼此独立的共振探测通道。

实验实现了最多 7 个里德堡态的快速制备，并利用这些独立通道在 1–40 GHz 的宽频范围内完成了多频段射频电场探测。

光频率梳如何连接多个里德堡态

为了让里德堡原子测量不同频率的射频信号，最直接的方法是改变耦合光频率，重新选择不同的里德堡态。这种方法可以把原子的工作频率拓展到很宽的范围，但每次转变到新的频段，都需要重新调节和锁定激光，难以在相距较远的频段之间快速切换。

光频率梳提供了一种完全不同的思路。普通激光只有一个主要光频率，而光频率梳同时包含许多等间隔排列的离散频率，像一把在频率轴上展开的“梳子”。如果把梳齿间隔与不同里德堡能级之间的能量间隔相匹配，就可以让不同梳齿分别连接不同的里德堡态。这样，一束耦合光就不再只激发一个里德堡态，而是可以一次建立多个原子激发通道。

利用多个光频梳齿同时耦合不同里德堡态可以解决宽频覆盖问题：每一个里德堡态对应不同的射频共振跃迁，同一套原子系统中就可以形成多个分布在不同频段的共振探测通道。

多个光频梳齿 → 不同里德堡态 → 多个射频共振通道

这种方法的优势是保留了共振探测的高灵敏度，又避免了传统方案在不同频段之间反复大范围调节激光的难题。通过改变光频梳的梳齿间隔，可以快速切换所访问的里德堡态，切换速度主要受到原子中间态寿命限制，可达到数十 MHz 量级。

更重要的是，不同里德堡态可以对应彼此独立的射频通道，为后续实现快速跳频和多通道并行接收提供了基础。

图1：光频率梳同时连接多个里德堡态，图片来源：Nat. Commun. 16, 11054 (2025)。

多个里德堡态实现 1–40 GHz 多频段探测

为了实现多频段射频探测，NIST 团队将光频率梳引入三光子里德堡激发系统。实验使用895 nm 探测光、636 nm 缀饰光和 2235 nm 中红外光频率梳，其中光频率梳作为耦合光，将铯原子激发多个不同的里德堡态。

研究人员将光频率梳的梳齿间隔设置为约 18 GHz，使多个梳齿分别靠近所选择的不同里德堡能级。最终获得了 7 个较强的梳齿，每个梳齿的平均功率约为300 mW，可以快速制备多个不同的里德堡态。

有了不同的里德堡态，射频探测范围便不再局限于一个跃迁。每一个里德堡态都可以与附近其他里德堡态形成不同频率的射频跃迁，多个里德堡态就对应着多个分布在不同频段的共振探测通道。

实验进一步在 1–40 GHz 范围内选择多个里德堡频段进行测试，并在每个近共振附近扫描约 40 MHz 的射频范围。这些射频跃迁之间的频率间隔通常大于 50 MHz，而单个里德堡态的响应带宽小于约 10 MHz，不同通道之间可以保持较好的独立性，实验中也没有观察到明显的通道串扰。

结果表明，不同频率的射频场会分别作用于对应的里德堡态，可以实现多个频段的独立探测。

这项工作的“宽频”优势并不是让一个里德堡态连续覆盖 1–40 GHz，而是利用光频率梳同时访问多个里德堡态，在很宽的频率范围内建立多个彼此独立的共振接收通道。

图2：1-40GHz多频段射频信号探测，图片来源：Nat. Commun. 16, 11054 (2025)。

总结

里德堡原子本身具有很宽的可调工作频率范围，但离散能级使高灵敏共振探测只能集中在特定跃迁频率附近。光频率梳通过多个梳齿同时连接多个里德堡态，将原本分散的共振跃迁转化为多个独立射频通道，使里德堡原子的“宽频可调”进一步发展为“多通道”的宽频探测能力。

NIST团队利用光频率梳实现了最多 7 个里德堡态的快速制备，并在 1–40 GHz 的宽频范围内建立了多个彼此独立的射频探测通道。实验表明，不同里德堡态之间没有观察到明显串扰，也为宽频信号之间快速切换提供了基础。

未来，通过实现多个通道的同时独立读出，还可以拓展到跳频扩频、正交频分复用等多频通信方式。

光频率梳并没有改变原子的离散能级，而是把原子离散能级利用起来，让原子系统可以同时接收多个频段射频信号，为里德堡原子实现宽频、多通道接收提供了新的技术路径。