論文の概要: Approaching the standard quantum limit of a Rydberg-atom microwave electrometer

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2307.15617v1
• Date: Fri, 28 Jul 2023 15:26:45 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-07-31 12:13:46.616694
• Title: Approaching the standard quantum limit of a Rydberg-atom microwave electrometer
• Title（参考訳）: Rydberg-atom 電子計の標準量子限界へのアプローチ
• Authors: Hai-Tao Tu, Kai-Yu Liao, Guo-Dong He, Yi-Fei Zhu, Si-Yuan Qiu, Hao Jiang, Wei Huang, Wu Bian, Hui Yan, Shi-Liang Zhu
• Abstract要約: ライドベルクの電気計は、非常に感度が高く、小型で広いチューニング性があるため、かなりの注目を集めている。 先進的なRydberg-atomマイクロ波電気計は、標準量子限界よりも3桁以上小さくなっている。 本研究では,100Hzの繰り返し速度で10.0 nV/cm/Hz1/2の電場感度を達成し,標準量子限界の2.6倍,最小検出可能磁場の540 pV cmに達した。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 7.831205148898222
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: The development of a microwave electrometer with inherent uncertainty approaching its ultimate limit carries both fundamental and technological significance. Recently, the Rydberg electrometer has garnered considerable attention due to its exceptional sensitivity, small-size, and broad tunability. This specific quantum sensor utilizes low-entropy laser beams to detect disturbances in atomic internal states, thereby circumventing the intrinsic thermal noise encountered by its classical counterparts8,9. However, due to the thermal motion of atoms10, the advanced Rydberg-atom microwave electrometer falls considerably short of the standard quantum limit by over three orders of magnitude. In this study, we utilize an optically thin medium with approximately 5.2e5 laser-cooled atoms11 to implement heterodyne detection. By mitigating a variety of noises and strategically optimizing the parameters of the Rydberg electrometer, our study achieves an electric-field sensitivity of 10.0 nV/cm/Hz^1/2 at a 100 Hz repetition rate, reaching a factor of 2.6 above the standard quantum limit and a minimum detectable field of 540 pV cm. We also provide an in-depth analysis of noise mechanisms and determine optimal parameters to bolster the performance of Rydberg-atom sensors. Our work provides insights into the inherent capacities and limitations of Rydberg electrometers, while offering superior sensitivity for detecting weak microwave signals in numerous applications.
• Abstract（参考訳）: 極端限界に近づく固有の不確実性を持つマイクロ波電磁計の開発は、基本的および技術的に重要な意味を持つ。 近年、ライドバーグ・エレクトロメーターは、非常に感度が高く、小型で幅広い波長性のため、かなりの注目を集めている。 この特定の量子センサーは、低エントロピーレーザービームを使用して原子内部状態の乱れを検知し、古典的な8,9で発生する固有の熱ノイズを回避する。 しかし、原子10の熱運動のため、先進的なrydberg-atom電子電計は標準の量子限界を3桁以上も超えている。 本研究では、約5.2e5レーザー冷却原子11を用いた光学媒体を用いてヘテロダイン検出を行う。 様々なノイズを緩和し、リドベルク電気計のパラメータを戦略的に最適化することにより、100Hzの繰り返し速度で10.0 nV/cm/Hz^1/2の電場感度を達成し、標準量子限界の2.6倍、最小検出可能磁場の540 pV cmに達する。 また,ノイズ機構の詳細な解析を行い,Rydberg-atom センサの性能向上のための最適パラメータを決定する。 我々の研究は、rydberg電計の固有容量と限界について洞察を与え、多くの応用において弱いマイクロ波信号の検出に優れた感度を提供する。

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