[論文レビュー] Electromagnetically induced transparency based Rydberg-atom sensor for quantum voltage measurements

Christopher L. Holloway, Nikunjkumar Prajapati+8 more|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2021

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ひとこと要約

本論文では、電磁誘起透過（EIT）を用いたルビジウム原子のリュードバーグ状態に基づくセンサーを提案し、直流および60 Hz交流電圧を量子的精度で測定する。リュードバーグルビジウム原子におけるスターヴ効果シフトを検出することで、0.01 V/V程度の分類性能不確かさと、0.007 V/V Hz⁻¹ᐟ²の感度を達成し、ジョゼフソン電圧標準やジナーダイオードの小型・低コストな代替手段を提供する。

ABSTRACT

We investigate the Stark shift in Rydberg rubidium atoms through electromagnetically induced transparency for the measurement of direct current (dc) and 60~Hz alternating current (ac) voltages. This technique has direct applications to atom-based measurements of dc and ac voltage and the calibration of voltage instrumentation. We present experimental results for different atomic states that allow for dc and ac voltage measurements ranging from 0~V to 12~V. A Rydberg atom-based voltage standard could become an alternative calibration method with more favorable size, weight, power consumption, and cost compared to the more precise Josephson voltage standard. In this study, we also demonstrate how the voltage measurements can be utilized to determine the atomic polarizability for the Rydberg states. The Rydberg atom-based voltage measurement technology would become a complimentary method for dissemination of the voltage scale directly to the end user.

研究の動機と目的

• 電圧校正のための小型・低消費電力なジョゼフソン電圧標準の代替手段を開発すること。
• 電磁誘起透過（EIT）を用いて、リュードバーグルビジウム原子のスターヴ効果シフトに基づく量子ベースの電圧測定を実証すること。
• 原子の極効率とプレート間隔を用いた校正により、基本定数へのトレーサビリティを可能にすること。
• 非一様な電場、電極の不均一性、準位のクロスイングといった実用的課題に対処し、信頼性の高い運用を実現すること。
• 自己校正可能で展開可能なセンサーにより、電圧スケールをエンドユーザーに直接提供可能にする。

提案手法

• 平行平板電極からの電場を印加した状態で、EITを用いてリュードバーグルビジウム原子（47Sおよび28S準位）のスターヴシフトを測定する。
• 数ギガヘルツにわたるレーザー周波数スイープを用い、EITライン形状をプローブし、ピーク周波数シフトからスターヴシフト（Δ）を抽出する。
• 既知の電圧（0–12 V）でΔを測定することで、シフトと電圧の関係を示すキャリブレーション曲線を構築する。
• 高電圧域での精度向上のため、エネルギー準位クロスイング（ELC）を考慮した2次関数フィッティングを実施する。
• EITライン幅とピーク振幅を用いて電圧感度を評価し、現在は15 MHzのライン幅が限界である。
• キャリブレーションデータから極効率とプレート間隔を推定し、将来的な自己校正型デバイスの実現を可能にする。

Figure 1: Cylindrical vapor cell with stainless-steel parallel plates. The vapor cell is 50 mm in length and has a outside diameter of 25 mm. The plates are rectangular in shape with width of 18 mm, length of 45 mm, and placed $\approx 2$ mm apart.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リュードバーグ原子EITセンサーは、0–12 Vの範囲で分類性能不確かさが0.01 V/V未満に抑えられる直流電圧測定を達成できるか？
• RQ2 非一様な電場や電極の欠陥がEITライン形状および電圧測定の正確性に与える影響はいかほどか？
• RQ3 装置の改変を最小限に抑えて60 Hz交流電圧の振幅をどの程度正確に測定できるか？
• RQ4 47Sおよび28Sのようなリュードバーグ準位を用いた場合、V/V Hz⁻¹ᐟ²単位での達成可能な電圧感度はどの程度か？
• RQ5 キャリブレーションデータから原子の極効率とプレート間隔を正確に特定でき、自己校正型電圧センサーの実現が可能になるか？

主な発見

• 0–12 Vの範囲で平均して分類性能不確かさが0.01 V/Vに達し、EITピークの幅拡大により高電圧域でも不確かさが一定を保った。
• 47Sリュードバーグ準位を用いた電圧測定の感度は0.007 V/V Hz⁻¹ᐟ²に達し、28S準位ではEITピークが強いため、0.003 V/V Hz⁻¹ᐟ²に向上した。
• 測定されたスターヴシフトの不確かさは、6つのデータセットで平均して±5 MHzに相当し、キャリブレーション性能が一貫していた。
• キャリブレーションデータからリュードバーグ準位の極効率が特定され、将来的な基本定数への直接トレーサビリティが可能になった。
• キャリブレーション係数を用いてプレート間隔を数マイクロメートルの精度で推定でき、高精度センサー設計の実現可能性を示した。
• 装置の改変を最小限に抑えながら60 Hz交流電圧の測定が可能となり、実用的かつ実世界への展開可能性が検証された。

Figure 2: Calculated dc Stark shift $\Delta_{f}$ in 85 Rb as a function of electric field $E$ for $40S$ and $40D$ .