[论文解读] Electromagnetically induced transparency based Rydberg-atom sensor for quantum voltage measurements

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

Advanced Frequency and Time Standards参考文献 18被引用 4

一句话总结

该论文提出一种基于里德堡原子的传感器，利用电磁感应透明度（EIT）测量直流和60 Hz交流电压，实现量子精度。通过检测里德堡铷原子中的斯塔克移位，该方法实现了约0.01 V/V的分数不确定度和0.007 V/V Hz⁻¹ᐟ²的灵敏度，为约瑟夫森电压标准和齐纳二极管提供了一种紧凑、低成本的替代方案。

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.

研究动机与目标

• 开发一种紧凑、低功耗的约瑟夫森电压标准替代方案，用于电压校准。
• 通过电磁感应透明度（EIT）实现基于量子的电压测量，利用里德堡铷原子中的斯塔克移位。
• 利用原子极化率和极板间距对电压测量进行校准，实现对基本常数的可追溯性。
• 解决实际挑战，如非均匀电场、电极不均匀性和能级交叉，以确保可靠运行。
• 通过自校准、可部署的传感器，实现电压量值的直接向终端用户传播。

提出的方法

• 在平行板电极施加的电场下，利用EIT测量里德堡铷原子（47S和28S态）的斯塔克移位。
• 使用跨越数GHz的激光扫频探测EIT线型，通过峰值频率偏移提取斯塔克移位（Δ）。
• 通过在已知电压（0–12 V）下测量Δ，构建校准曲线，建立移位与电压的关系。
• 采用二次拟合以考虑能级交叉（ELCs）的影响，提高高电压下的测量精度。
• 利用EIT线宽和峰值振幅确定电压灵敏度，当前受限于15 MHz的线宽。
• 从校准数据中估算极化率和极板间距，为未来实现自校准器件提供支持。

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.

实验结果

研究问题

• RQ1 基于里德堡原子EIT传感器能否在0–12 V范围内实现准确的直流电压测量，且分数不确定度低于0.01 V/V？
• RQ2 非均匀电场和电极缺陷如何影响EIT线型和电压测量精度？
• RQ3 在最小化设备改动的前提下，该方法对60 Hz交流电压幅值的测量能力如何？
• RQ4 利用47S和28S等里德堡态，可实现的电压灵敏度（以V/V Hz⁻¹ᐟ²为单位）达到何种水平？
• RQ5 能否从校准数据中准确确定原子极化率和极板间距，以实现自校准电压传感器？

主要发现

• 在0–12 V范围内，电压测量的平均分数不确定度为0.01 V/V，由于高电压下EIT峰展宽，不确定度保持恒定。
• 利用47S里德堡态，电压测量灵敏度达到0.007 V/V Hz⁻¹ᐟ²，而使用28S态时灵敏度提升至0.003 V/V Hz⁻¹ᐟ²，得益于更强的EIT峰。
• 六组数据集的平均斯塔克移位不确定度对应电压不确定度为±5 MHz，校准性能一致。
• 从校准数据中确定了里德堡态的极化率，为未来直接追溯至基本常数提供了可能。
• 通过校准因子，极板间距估计精度达到数十微米量级，证明了精确传感器设计的可行性。
• 该方法在仅做最小设备改动的情况下实现了60 Hz交流电压的测量，验证了其在实际部署中的实用性。

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