传统太赫兹成像技术受限于灵敏度低、成像速度慢、视场有限，以及分辨率不足等问题。原子无线传感作为新兴量子探测技术，依托高量子态里德堡原子与电磁场的相互作用，有望实现单光子级探测灵敏度与兆赫兹级探测速度，因而被视为突破现有探测瓶颈、构建新一代量子传感体系的关键路径。近期，中国科学院上海高等研究院等研究团队，聚焦“太赫兹原子无线传感”，开展了成像性能极限与创新机制研究，取得了系列重要进展。研究团队针对太赫兹探测中灵敏度与时间分辨率难以兼得的难题，以里德堡态铯原子为传感介质，构建了双相机同步探测机制，并研制出兼具高灵敏度与高帧率的原子无线成像系统。该样机在700Hz斩波频率下，实现了6000fps的超高成像帧率，灵敏度分别达到43fW/μm²（6000fps）与41.7aW/μm²（100fps），太赫兹至可见光的功率转换效率高达34.95%，综合性能达到国际领先水平。为攻克原子传感成像中分辨率低的难题，研究团队融合量子传感与人工智能，提出了物理约束的深度学习算法。该方法在不依赖大量训练数据的情况下，可有效抑制噪声与衍射伪影，实现宽视场下分辨率超过1.25lp/mm的无透镜成像，显著提升了成像质量与应用潜力。同时，研究团队围绕太赫兹频率与谱信息感知这一关键科学问题，发展了基于里德堡原子光致发光光谱的太赫兹光谱快速表征方法，通过分析太赫兹场作用前后的光谱差分，可同步获取太赫兹场的频率与强度信息。该方法以原子能级为基准，为建立可溯源的太赫兹量子传感体系提供了新途径。研究团队进一步针对成像面积受限问题，提出了基于大尺寸原子气室和均匀激光整形的优化策略，实现了50mm×50mm的大视场太赫兹原子成像。该系统有效扩展了探测视场，提高了原子荧光分布的空间均匀性，使太赫兹量子成像从以往的毫米尺度验证，迈向更接近实际应用需求的系统尺度。目前，该系统已成功应用于液体混合过程的可视化监测，并在化学检测与生物扩散过程分析中展现出应用潜力。上述研究深化了学界对原子与太赫兹场相互作用机制的理解，为构建高灵敏、高精度太赫兹量子传感平台奠定了关键技术基础。团队下一步将继续围绕更高性能指标、多模式成像及多频段太赫场感知开展攻关，推动原子传感技术在大科学装置等场景中的应用。相关研究成果发表在《核科学与技术》（Nuclear Science and Techniques）、IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology、Journal of Physics D: Applied Physics及《中国光学快报》（Chinese Optics Letters）上。研究工作得到财政部、中国科学院的支持。论文链接：1、2、3、4利用神经网络增强原子太赫兹成像原理图与成像效果THz失谐下的差分荧光谱和荧光信号变化原子大气室太赫兹荧光对比及物体成像结果