量子精密测量中里德堡原子制备方法-编制说明

《量子精密测量中里德堡原子制备方法》

国家标准编制说明

（征求意见稿）

2023年3月12日

1

《量子精密测量中里德堡原子制备方法》国家标准编制说明

一、工作简况

（一）任务来源及协作单位

2021年8月24日，国家标准化管理委员会发布《关于下达2021

年第二批推荐性国家标准计划及相关标准外文版计划的通知》，下达

了《量子精密测量中里德堡原子制备方法》推荐性国家标准的制定任

务，计划号：20214287-T-469，项目周期24个月。本标准由全国量

子计算与测量标准化技术委员会（SAC/TC578）提出并归口，由深圳

中国计量科学研究院技术创新研究院、中国科学院精密测量科学与技

术创新研究、山西大学、北京无线电测量研究所、中国电子信息产业

集团有限公司、中国计量科学研究院、国仪量子（合肥）技术有限公

司、中国科技大学、之江实验室、深圳市标准技术研究院、华中科技

大学等单位共同起草。其中，深圳中国计量科学研究院技术创新研究

院为该标准起草工作的牵头单位。

（二）制定背景

高激发态原子是指电子被激发到主量子数n很高的能级（一般

n>10）的原子，高激发态又称为里德堡态，因此这类原子亦称为里德

堡原子。里德堡原子中由于电子到原子实的距离比较远，库仑作用比

较小，比较容易受到外加的电磁场影响。利用这种特性，里德堡原子

成为量子信息领域的一个研究和应用热点，特别是近年来在高灵敏度

量子精密测量领域被广泛使用。里德堡原子的制备是实现量子精密测

量的物理前提和关键共性技术。近年来单光子激发、双光子激发、三

2

光子激发等多种制备技术相继研发，每种制备技术对泵浦激光的特性

参数和操控方法有着不同的要求，相应的检验方法也不同。制定《量

子精密测量中里德堡原子制备方法》国家标准，对于规范高激发态原

子的制备，扩大高激发态原子在量子精密测量领域中的应用有着重要

的应用价值和指导意义。

随着量子信息技术的发展，以及里德堡原子灵敏度高、频率范围

宽等先天优势，在量子计算、微波及太赫兹波传感以及量子光学等领

域有着广泛的应用。目前国内国外未发布相关技术标准，随着微波量

子场强仪等量子科学仪器逐渐进入工程应用，亟需填补相关技术标准

的空白。

（三）主要工作过程

2021年10月，接到国家标准化管理委员会《量子精密测量中里

德堡原子制备方法》计划下达通知，全国量子计算与测量标准化技术

委员会（TC578）与牵头起草单位深圳中国计量科学研究院技术创新

研究院商议后，立即启动标准起草工作。

2021年11月，TC578发布关于公开征集《光钟性能表征及测试

方法》等五项推荐性国家标准计划项目起草单位和起草专家的通知。

截止2021年12月10日，《量子精密测量中里德堡原子制备方法》标

准共收到14家单位26位专家的申请表。根据申请情况，结合申报单

位情况、专家研究经验与标准编制工作安排，最终确定来自9家单位

的9位专家加入标准起草工作，成立标准起草工作组。项目启动至今

进行了二次集中会议和多次分组研讨修改，因受疫情影响，工作会议

3

形式和研讨全部以线上腾讯会议形式开展。会议主要内容如下：

2022年3月11日，标准起草工作组召开第一次全体会议（会议

号274-842-007）。会议对标准起草各阶段工作进行初步安排，包括起

草阶段、征求意见阶段、审查阶段、报批阶段的时间安排与工作成果

要求。会上标准起草工作组就标准草案框架和主要内容进行详细讨论，

初步确定标准框架包括标准适用性范围、规范性引用文件、术语和定

义、里德堡原子的制备技术四个部分。与会专家就标准草案框架和主

要内容进行详细讨论，提出补充各类里德堡原子的新制备方法和里德

堡态的新检测表征方法，考虑热原子和冷原子制备差异性、不同种类

原子的差异性等有益建议，标准起草工作组对专家意见进行了采纳。

2022年4月至8月，由深圳中国计量科学研究院技术创新研究

院、中国计量科学研究院、山西大学、中国科学院精密测量科学与技

术创新研究院、中国电子信息产业集团有限公司组成的标准起草核心

工作组，对标准组成员反馈的建议和问题进行集中研究，通过分工合

作、收集资料、文献调研、实验数据整理、交流研讨等诸多方式，补

充完善标准草案稿。

2023年2月10日，标准起草工作组召开第二次全体会议（会议

号696-325-722）。通报标准草案稿进展情况，以及标准起草核心工作

组初步形成的拟稿。会上标准起草工作组就范围、规范性引用文件、

术语和定义、试验条件、仪器设备、制备步骤、制备有效性检验和实

验报告八个部分主要条款逐条进行详细讨论，最终就标准范围、术语

和定义部分达成共识，并对仪器设备、制备步骤与制备有效性检验部

4

分修改建议与分工达成共识。

2023年2月24日，仪器设备、制备步骤与制备有效性检验部分

修改建议补充完整，标准起草工作组内部征询意见后，达成一致意见

后形成征求意见稿。

（四）国家标准主要起草人及其所做的工作

本标准由深圳中国计量科学研究院技术创新研究院作为牵头单

位，由中国科学院精密测量科学与技术创新研究、山西大学、北京无

线电测量研究所、中国电子信息产业集团有限公司、中国计量科学研

究院、国仪量子（合肥）技术有限公司、中国科技大学、之江实验室、

深圳市标准技术研究院、华中科技大学等单位共同起草。主要起草人

及工作如表1所示。

表1标准起草人员及主要工作

序号工作单位贡献

牵头标准预研，负责标准制定全面工作，

深圳中国计量科学研究院包括制定和推进工作计划、文件收集、提

1

技术创新研究院出标准整体框架和主要技术内容,参与讨

论提供意见建议

中国科学院精密测量科学与技术参与讨论、提供意见和建议，重点对本标

2

创新研究院准“制备有效性检测”进行修改

参与讨论、提供意见和建议，重点对本标

3山西大学

准“制备步骤”及相关附录部分进行修改

参与讨论、提供意见和建议，重点对本标

4北京无线电测量研究所

准“仪器设备”部分进行修改

参与讨论、提供意见和建议，重点对本标

5中国电子信息产业集团有限公司

准“术语和定义”部分进行修改

5

参与标准预研，以及标准编制过程中的讨

6中国计量科学研究院

论

7国仪量子（合肥）技术有限公司参与讨论、提供意见和建议

8中国科技大学参与讨论、提供意见和建议

9之江实验室参与讨论、提供意见和建议

参与讨论、提供意见和建议，重点从标准

10深圳市标准技术研究院

起草规范性方面进行指导

11华中科技大学参与讨论、提供意见和建议

二、标准编制原则

（一）科学性和系统性

本标准所规定的量子精密测量中里德堡原子制备方法与我国近

年来的量子精密测量的发展和应用紧密结合，吸纳了国内该领域内同

行所积累的相关经验，确保标准内容科学性和系统性，填补国内里德

堡原子量子精密测量领域的标准空白。

（二）准确性和完整性

本标准规定了里德堡原子的制备方法，方法不限于冷原子和热原

子系综，适用于基于里德堡原子的量子精密测量等领域。本标准在约

定性能评价标准和测试方法时充分参考了现有的相关标准规范，保证

术语的语义准确性和内容的完整性。

（三）可操作性

本标准所约定的制备方法和和表征指标已经在基于里德堡原子

的量子精密测量相关文献中反复实现，在行业内普遍认同，具有可操

作性。

6

（四）标准的对象和范围

本标准规定了量子精密测量中里德堡原子的制备方法，具有较强

的普适性，不限于冷原子和热原子系综。

三、标准中主要技术内容确定的依据和过程

本标准规定了里德堡原子的制备方法，方法不限于冷原子和热原

子系综，适用于基于里德堡原子的量子精密测量等领域。为规范里德

堡量子精密测量装备的研发和生产，减少歧义和误解，本标准围绕制

备过程如下几方面进行约定：

1.术语和定义：规范里德堡原子及制备过程中的关键术语，通

用术语不再赘述；

2.仪器设备：考虑到里德堡原子广泛应用于微波测量、原子天

线、太赫兹成像、原子微波接收机、原子电场计、原子混频器等不同

量子精密测量应用场景，本标准重点对里德堡原子制备所需的基本仪

器设备及其关键参数进行了约定，包括不同激发方式的激光器、探测

器以及信号采集设备。并针对常见的铷原子和铯原子，给出相应设备

的主要技术参数，不用应用场景的其他辅助设备本标准不做赘述。

3.制备步骤：本标准列举了相对成熟的单光子吸收激发、双光

子吸收激发和三光子吸收激发三种常见制备方式，并对激发路径跃迁

选择定则中的轨道角动量量子数、总角动量量子数以及磁量子数进行

了约定。为了便于理解和操作，并以附录形式给出针对常见的铷原子

和铯原子具体的实施方案。

4.制备有效性检验：列举关键表征指标原子数量、光学厚度以

7

及量子态保真度，并给出相应的定义阐述。检验方法选择了较为成熟

的吸收光谱法、荧光探测法、选择场电离法。对于尚在研究的新方法

本标准暂不予描述，待新方法被广泛采纳应用成熟后在后续标准修订

阶段进行补充。

四、试验验证情况

本标准针对量子精密测量领域常用的铷原子和铯原子里德堡态

制备方法开展了部分试验验证工作，按照标准草稿中测试流程和数据

处理方法，得到相应性能指标，验证了方法科学性和可行性。

试验验证的过程和数据见附录。

五、标准与其他国际、国外相关文件的关系

本标准可填补精密测量领域相关国际、国内标准空白，暂无其他

国际、国外相关文件参考。相关术语和定义编写过程中与正在开展《量

子测量术语》国家标准标准起草工作组进行了充分沟通。

六、标准采用国际文件的情况说明

经检索，国际上还没有类似的标准，本标准未翻译或采用国际标

准。

七、标准与其他法律、法规、标准等的关系

无。

八、重大分歧意见的处理过程及依据

本标准在立项及各次讨论会以及编写讨论中，没有产生重大分歧。

九、对标准实施情况的说明

制备技术是实现里德堡原子量子精密测量的物理前提和关键共

8

性技术。鉴于里德堡原子的应用是量子信息基础研究的热点方向之一，

国内外相关量子精密测量仪器商业化已经布局，制定相应国家标准，

可进一步规范里德堡量子精密测量装备的研发和生产，减少歧义和误

解，强化基础通用标准制定，增加前瞻性、引领性国家标准供给，对

推动里德堡量子精密测量技术融合创新和产业发展具有重要意义。建

议发布时间为2024年1月，实施时间为2025年1月。

十、其他事项

无。

《量子精密测量中里德堡原子制备方法》标准编制起草组

2023年3月12日

9

附件

《量子精密测量中里德堡原子制备方法》

实验测试报告

一、单光子吸收法制备里德堡原子

处于基态的原子通过吸收一个光子，如果光子能量hv等于基态

与里德堡态的能级差E，原子由基态跃迁到里德堡态（如

nS1/2→nP1/2,3/2），实现里德堡原子的制备。通过单光子吸收法制

备里德堡原子使用的激光波长大多处于紫光和紫外波段。

例如，铯原子基态6S1/2→nP3/2跃迁的激光波长为318nm；铷

原子5S1/2→nP3/2跃迁的激光波长为297nm。基本操作步骤包括：

1）将激光器频率精确锁定在基态nS1/2→nP3/2跃迁频率；

2）调节激光偏振为确定的圆偏振或者线偏振，及激光输出功率

等参数；

3）调谐激光器功率，并将光束聚焦作用在基态原子，实现基态

原子到里德堡原子的制备。

二、双光子吸收法里德堡原子制备

双光子吸收激发过程是基态原子通过吸收两个不同能量的光子，

借助于一个中间态，由基态跃迁到目标里德堡态（如

nS1/2→nP1/2,3/2→nS1/2,nD3/2,5/2）。

例如，铯原子从基态（6S1/2）到第一激发态（6P3/2）再到里德

堡态nS和nD态的跃迁，通过波长分别为852nm和509nm窄线宽激光

10

器进行激发制备；理论分析表明，当耦合激光波长在508nm至518nm

范围内调节，可实现到不同的里德堡态的跃迁（主量子数n=20~100）。

铷原子从基态（5S1/2）到第一激发态（5P3/2）再到里德堡态nS和

nD态的跃迁，可通过波长分别为780nm和480nm的窄线宽激光器激

发实现。理论分析表明，当耦合激光波长在478nm至488nm范围内调

节，可实现到不同的里德堡态的跃迁（主量子数n=20~100）

具体操作时，需要两台稳频激光器实现双光子吸收的里德堡原子

制备。其中一台激光器用于操控原子实现从基态到第一激发态的跃迁，

如铯原子从基态（6S1/2）到第一激发态（6P3/2）所需激光波长为852nm；

另一台激光器用于操控原子实现从第一激发态至里德堡态的跃迁。基

本操作步骤包括：

1）将两台激光器频率精确锁定在该频率（波长）；基态到第一激

发态的跃迁可以精确锁定在原子饱和吸收谱，第一激发态至里德堡态

的跃迁所需频率通过精密激光波长计进行监测，且频率可通过外腔锁

定；

2）调节两束激光的偏振为确定的圆偏振或者线偏振，及激光输

出功率等参数；

3）调节光路，两束激光照射在原子；

4）同时被这两束激光作用的原子，可实现从基态到里德堡态的

跃迁。

三、三光子吸收法里德堡原子制备

三光子吸收激发是原子通过吸收三个不同能量的光子，借助两个

11

中间态，由基态跃迁到目标里德堡态（如

nS1/2→nP1/2,3/2→nS1/2→nP1/2,3/2;nS1/2→nP1/2,3/2→nD3/2,

5/2→nP1/2,3/2/nF5/2,7/2）。

例如，铷原子从基态（5S1/2）通过中间态5P3/2和5D5/2再到

里德堡态nP和nF态的跃迁，可采用波长分别为780nm、776nm和

1260nm的激光器进行激发制备。铯原子从基态（6S1/2）通过中间态

6P3/2和7S1/2再到里德堡态nS和nD态的跃迁，可采用波长分别为

852nm、1359nm和790nm的激光器来实现。

具体操作时，需要三台稳频激光器实现双光子吸收的里德堡原子

制备。其中一台激光器用于操控原子实现从基态到第一激发态的跃迁，

如铯原子从基态（6S1/2）到第一激发态（6P3/2）所需激光波长为852nm；

另外两台激光器用于操控原子实现从第一激发态6P3/2至第二激发

态7S1/2、第二激发态7S1/2至里德堡态nP1/2,3/2的跃迁。基本操

作步骤包括：

1）将三台激光器频率分别精确锁定在基态到第一激发态的跃迁

频率、第一激发态至第二激发态、第二激发态至里德堡态的跃迁频率，

频率锁定过程可采用原子跃迁线的光谱以及光学腔作为频率参考；

2）调节三束激光的偏振为确定的圆偏振或者线偏振，及激光输

出功率等参数；

3）调节光路确保三束激光共同作用在原子上；

4）同时被这三束激光作用的原子，可实现基态到里德堡态原子

的制备。

12

目次

一、工作简况.................................................................2

（一）任务来源及协作单位..................................................2

（二）制定背景............................................................2

（三）主要工作过程........................................................3

（四）国家标准主要起草人及其所做的工作.....................................5

二、标准编制原则.............................................................6

（一）科学性和系统性......................................................6

（二）准确性和完整性......................................................6

（三）可操作性............................................................6

（四）标准的对象和范围....................................................7

三、标准中主要技术内容确定的依据和过程.......................................7

四、试验验证情况.............................................................8

五、标准与其他国际、国外相关文件的关系.......................................8

六、标准采用国际文件的情况说明...............................................8

七、标准与其他法律、法规、标准等的关系.......................................8

八、重大分歧意见的处理过程及依据.............................................8

九、对标准实施情况的说明.....................................................8

十、其他事项.................................................................9

附件.......................................................................10

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《量子精密测量中里德堡原子制备方法》国家标准编制说明

一、工作简况

（一）任务来源及协作单位

2021年8月24日，国家标准化管理委员会发布《关于下达2021

年第二批推荐性国家标准计划及相关标准外文版计划的通知》，下达

了《量子精密测量中里德堡原子制备方法》推荐性国家标准的制定任

务，计划号：20214287-T-469，项目周期24个月。本标准由全国量

子计算与测量标准化技术委员会（SAC/TC578）提出并归口，由深圳

中国计量科学研究院技术创新研究院、中国科学院精密测量科学与技

术创新研究、山西大学、北京无线电测量研究所、中国电子信息产业

集团有限公司、中国计量科学研究院、国仪量子（合肥）技术有限公

司、中国科技大学、之江实验室、深圳市标准技术研究院、华中科技

大学等单位共同起草。其中，深圳中国计量科学研究院技术创新研究

院为该标准起草工作的牵头单位。

（二）制定背景

高激发态原子是指电子被激发到主量子数n很高的能级（一般

n>10）的原子，高激发态又称为里德堡态，因此这类原子亦称为里德

堡原子。里德堡原子中由于电子到原子实的距离比较远，库仑作用比

较小，比较容易受到外加的电磁场影响。利用这种特性，里德堡原子

成为量子信息领域的一个研究和应用热点，特别是近年来在高灵敏度

量子精密测量领域被广泛使用。里德堡原子的制备是实现量子精密测

量的物理前提和关键共性技术。近年来单光子激发、双光子激发、三

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光子激发等多种制备技术相继研发，每种制备技术对泵浦激光的特性

参数和操控方法有着不同的要求，相应的检验方法也不同。制定《量

子精密测量中里德堡原子制备方法》国家标准，对于规范高激发态原

子的制备，扩大高激发态原子在量子精密测量领域中的应用有着重要

的应用价值和指导意义。

随着量子信息技术的发展，以及里德堡原子灵敏度高、频率范围

宽等先天优势，在量子计算、微波及太赫兹波传感以及量子光学等领

域有着广泛的应用。目前国内国外未发布相关技术标准，随着微波量

子场强仪等量子科学仪器逐渐进入工程应用，亟需填补相关技术标准

的空白。

（三）主要工作过程

2021年10月，接到国家标准化管理委员会《量子精密测量中里

德堡原子制备方法》计划下达通知，全国量子计算与测量标准化技术

委员会（TC578）与牵头起草单位深圳中国计量科学研究院技术创新

研究院商议后，立即启动标准起草工作。

2021年11月，TC578发布关于公开征集《光钟性能表征及测试

方法》等五项推荐性国家标准计划项目起草单位和起草专家的通知。

截止2021年12月10日，《量子精密测量中里德堡原子制备方法》标

准共收到14家单位26位专家的申请表。根据申请情况，结合申报单

位情况、专家研究经验与标准编制工作安排，最终确定来自9家单位

的9位专家加入标准起草工作，成立标准起草工作组。项目启动至今

进行了二次集中会议和多次分组研讨修改，因受疫情影响，工作会议

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形式和研讨全部以线上腾讯会议形式开展。会议主要内容如下：

2022年3月11日，标准起草工作组召开第一次全体会议（会议

号274-842-007）。会议对标准起草各阶段工作进行初步安排，包括起

草阶段、征求意见阶段、审查阶段、报批阶段的时间安排与工作成果

要求。会上标准起草工作组就标准草案框架和主要内容进行详细讨论，

初步确定标准框架包括标准适用性范围、规范性引用文件、术语和定

义、里德堡原子的制备技术四个部分。与会专家就标准草案框架和主

要内容进行详细讨论，提出补充各类里德堡原子的新制备方法和里德

堡态的新检测表征方法，考虑热原子和冷原子制备差异性、不同种类

原子的差异性等有益建议，标准起草工作组对专家意见进行了采纳。

2022年4月至8月，由深圳中国计量科学研究院技术创新研究

院、中国计量科学研究院、山西大学、中国科学院精密测量科学与技

术创新研究院、中国电子信息产业集团有限公司组成的标准起草核心

工作组，对标准组成员反馈的建议和问题进行集中研究，通过分工合

作、收集资料、文献调研、实验数据整理、交流研讨等诸多方式，补

充完善标准草案稿。

2023年2月10日，标准起草工作组召开第二次全体会议（会议

号696-325-722）。通报标准草案稿进展情况，以及标准起草核心工作

组初步形成的拟稿。会上标准起草工作组就范围、规范性引用文件、

术语和定义、试验条件、仪器设备、制备步骤、制备有效性检验和实

验报告八个部分主要条款逐条进行详细讨论，最终就标准范围、术语

和定义部分达成共识，并对仪器设备、制备步骤与制备有效性检验部

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分修改建议与分工达成共识。

2023年2月24日，仪器设备、制备步骤与制备有效性检验部分

修改建议补充完整，标准起草工作组内部征询意见后，达成一致意见

后形成征求意见稿。

（四）国家标准主要起草人及其所做的工作

本标准由深圳中国计量科学研究院技术创新研究院作为牵头单

位，由中国科学院精密测量科学与技术创新研究、山西大学、北京无

线电测量研究所、中国电子信息产业集团有限公司、中国计量科学研

究院、国仪量子（合肥）技术有限公司、中国科技大学、之江实验室、

深圳市标准技术研究院、华中科技大学等单位共同起草。主要起草人

及工作如表1所示。

表1标准起草人员及主要工作

序号工作单位贡献

牵头标准预研，负责标准制定全面工作，

深圳中国计量科学研究院包括制定和推进工作计划、文件