太赫兹波是位于红外和微波之间，频率为0.1~10THz的电磁波波段。由于太赫兹独特的电磁学特性，太赫兹技术在天体物理学、生物医学、无损检测、无线通信、爆炸物检测和GF安全等领域具有广阔的应用前景，被誉为“改变未来的十大技术” 之一。高灵敏太赫兹探测器是太赫兹领域的关键核心技术，实现室温太赫兹单光子探测器将对太赫兹技术产生颠覆性影响。在太赫兹频段,由于单光子能量较低, 具有高灵敏高响应的材料和器件十分匮乏。尽管太赫兹单光子探测在低温环境已被实现，但室温操作对于实际应用至关重要，在室温下实现太赫兹单光子探测仍然是一个巨大的挑战。

将能量较低的太赫兹光子相干转换为能量较高的可见光/近红外光子是实现室温超灵敏太赫兹探测器最有前途的方法之一。然而尽管多种非线性介质已被尝试用于相干转换，如量子点等，但是目前的探测灵敏度与已在低温下实现的单光子探测相差多个量级。因此，寻找一种合适的、具有高量子效率和低噪声的室温非线性介质是该领域的重要目标。

处于高激发态的里德堡原子具有许多独特的性能，例如对外界电场有较高的灵敏度、较大的偶极相互作用和较强的非线性等，在精密测量、量子计算/模拟、量子光源等方面具有重要应用，是前沿研究方向。

近期，实验室武海斌教授和盛继腾教授团队基于里德堡原子气室首次实现室温太赫兹单光子探测。实验中，基于里德堡非简并六波混频过程，将低能量的太赫兹光子相干上转换为高能量的近红外光子，并使用可见光硅基单光子探测器测量，从而实现太赫兹单光子探测，全过程无需低温冷却。实现的太赫兹探测器的噪声等效功率（NEP）为9.5×10^-19 W/Hz^1/2，优于已报道的室温太赫兹探测器四个数量级以上。探测器量子效率为4.3%，动态范围为40.6 dB，最大转换带宽为172 MHz，可实现连续弱太赫兹场探测，带宽等参数可以通过辅助光场连续可调。此外，基于该探测器测量了输入太赫兹光子的二阶关联函数，证明了其执行单光子检测的能力。该单光子太赫兹探测器系统有望实现便携式和小型化，成为新一代太赫兹接收器，在下一代无线通信（6G频段）、载人航天、卫星遥感、医学成像等领域有重要应用前景。

相关研究结果发表在Applied Physics Reviews 11, 041420 (2024)，被选为亮点论文，并被美国物理学联合会《科学之光》（Scilight）专题文章采访报道。

论文链接：

https://pubs.aip.org/aip/apr/article/11/4/041420/3319488/Room-temperature-single-photon-terahertz-detection

图1. (a) 太赫兹—近红外光子相干上转换原理图；(b) 非简并六波混频⁸⁷Rb 原子系统能级图；(c) 实验装置示意图；(d) 六波混频产生信号 (红色) 和泵浦场透射信号 (蓝色) 。