[논문 리뷰] Electromagnetically induced transparency based Rydberg-atom sensor for quantum voltage measurements

Christopher L. Holloway, Nikunjkumar Prajapati외 8명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 05.

Advanced Frequency and Time Standards참고 문헌 18인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 양자 정밀도로 일정 전압과 60 Hz 교류 전압을 측정하기 위해 전자기 유도 투과성(EIT)을 이용한 라이드버그 원자 기반 센서를 제안한다. 라이드버그 리드바이움 원자에서의 스타르크 시프트를 측정함으로써, 이 방법은 약 0.01 V/V의 분수 불확도와 0.007 V/V Hz⁻¹ᐟ²의 감도를 달성하여 조셉슨 전압 기준과 지니어 다이오드에 대한 컴act하고 저비용 대안을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 전압 교정을 위한 조밀하고 저전력 소모의 조셉슨 전압 기준 대체 기술 개발
• 전자기 유도 투과성(EIT)을 통한 라이드버그 리드바이움 원자의 스타르크 시프트를 이용한 양자 기반 전압 측정 기술 구현
• 원자 분극율과 판 간격을 이용한 전압 측정 校정을 통해 기본 상수에 대한 추적 가능성을 확보
• 비균일한 전기장, 전극의 비균일성, 에너지 수준 교차 현상 등의 실용적 과제를 해결하여 안정적인 작동 보장
• 자체 校정 기능을 갖춘 이식 가능한 센서를 통해 전압 기준을 최종 사용자에게 직접 제공 가능

제안 방법

• 평행판 전극에 의해 가해진 전압을 이용해 라이드버그 리드바이움 원자(47S 및 28S 상태)의 스타르크 시프트를 EIT를 통해 측정
• 몇 GHz에 걸쳐 레이저 스윕을 수행하여 EIT 선형도를 분석하고 피크 주파수 이동으로부터 스타르크 시프트(Δ) 추출
• 기타 전압(0–12 V)에서 Δ를 측정하여 시프트와 전압 간의 관계를 설정하기 위해 校정 곡선 구성
• 에너지 수준 교차 현상(ELC)을 고려하기 위해 2차 곡선 피팅을 적용하여 고전압 영역에서의 정확도 향상
• EIT 선폭과 피크 진폭을 이용해 전압 감도를 산정함. 현재는 15 MHz 선폭에 의해 제한됨
• 캘리브레이션 데이터에서 분극율과 판 간격을 추정하여 향후 자체 校정 기능을 갖춘 장치 개발 가능

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.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 라이드버그 원자 EIT 센서는 0–12 V 범위에서 분수 불확도가 0.01 V/V 이하일 수 있는가?
• RQ2 비균일한 전기장과 전극 결함은 EIT 선형도와 전압 측정 정확도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 최소한의 장비 변경으로 60 Hz 교류 전압의 진폭을 얼마나 정확히 측정할 수 있는가?
• RQ4 47S 및 28S 같은 라이드버그 상태를 사용할 경우 V/V Hz⁻¹ᐟ² 단위로 달성 가능한 전압 감도는 얼마인가?
• RQ5 캘리브레이션 데이터에서 원자 분극율과 판 간격을 정확히 추정할 수 있는가? 이를 통해 자체 校정 기능을 갖춘 전압 센서 개발이 가능한가?

주요 결과

• 0–12 V 범위에서 평균 분수 불확도가 0.01 V/V로 유지되었으며, 고전압 영역에서 EIT 피크의 넓어짐으로 인해 불확도가 일정하게 유지됨
• 47S 라이드버그 상태를 사용할 경우 전압 감도가 0.007 V/V Hz⁻¹ᐟ²에 도달하였고, 28S 상태로 전환하면 더 강한 EIT 피크로 인해 감도가 0.003 V/V Hz⁻¹ᐟ²로 향상됨
• 측정된 스타르크 시프트의 불확도는 여섯 개 데이터 세트 평균에서 ±5 MHz로 변환되었으며, 일관된 캘리브레이션 성능 확보됨
• 캘리브레이션 데이터에서 라이드버그 상태의 분극율을 추정하여 향후 기본 상수에 직접 추적 가능한 기반 마련됨
• 캘리브레이션 요인을 이용해 판 간격을 10마이크론 내외로 추정함으로써 정밀한 센서 설계의 가능성 입증됨
• 최소한의 장비 변경으로 60 Hz 교류 전압 측정이 가능하여 실용성 검증됨

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