論文の概要: Sensing of Low-Frequency Electric Fields Using Rydberg EIT within the Fisher Information Framework

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2604.15912v1
• Date: Fri, 17 Apr 2026 10:12:39 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-04-20 22:00:19.873837
• Title: Sensing of Low-Frequency Electric Fields Using Rydberg EIT within the Fisher Information Framework
• Title（参考訳）: Rydberg EITを用いた低周波電界センシング
• Authors: Tianyu Zhou, Haipeng Xie, Xin Wang,
• Abstract要約: 本稿では、Rydberg原子を用いた低周波電場検出に関する理論的研究を行う。 直流バイアス2点差分測定を用いた線形化センシング手法を提案する。 この研究は、スマートグリッドにおける電磁環境の高精度な量子モニタリングのための厳密な理論的基礎と設計指針を提供する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 3.399217837454362
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Rydberg atoms, which possess exceptionally large electric dipole moments, offer a promising route for electric field sensing as well as metrology traceable to the International System of Units (SI); however, current research predominantly focuses on the microwave (MW) regime, leaving the quasi-direct current (quasi-DC) and low-frequency bands, ubiquitous in power systems, largely unexplored. In this paper, we present a theoretical investigation into low-frequency electric field detection. To this end, we establish a comprehensive modeling framework incorporating Fisher information (FI) and the Cramér-Rao lower bound (CRLB) to quantify the fundamental precision limits of electromagnetically induced transparency (EIT) readouts. Building upon this framework, we propose a linearized sensing strategy utilizing a DC-biased two-point differential measurement. Numerical validations demonstrate that this approach effectively mitigates the weak-field insensitivity for both DC and AC fields, achieving a CRLB-limited sensitivity bound of approximately $1\times 10^{-4}$ V/m/$\sqrt{\text{Hz}}$. Furthermore, to surpass the single-pass sensitivity limit, we introduce a Fabry-Pérot (FP) cavity-enhanced configuration. This architecture leverages intracavity phase modulation to significantly steepen the transmission slope, boosting the FI by over two orders of magnitude compared to standard free-space configurations. This work provides a rigorous theoretical basis and design guidance for the high-precision quantum monitoring of electromagnetic environments in smart grids.
• Abstract（参考訳）: 非常に大きな電気双極子モーメントを持つリドバーグ原子は、国際単位系(SI)に追従可能な電場検知と気象学のための有望な経路を提供するが、現在の研究はマイクロ波(MW)体制に主に焦点を置き、準直流(準DC)と低周波帯は電力系においてユビキタスであり、ほとんど探索されていない。 本稿では,低周波電界検出に関する理論的検討を行う。 この目的のために、我々は、電磁誘導透過性(EIT)の基本的な精度限界を定量化するために、フィッシャー情報(FI)とクラメロ・ラオ下界(CRLB)を包含した包括的なモデリングフレームワークを構築した。 本稿では,直流バイアス2点差分測定を用いた線形化センシング手法を提案する。 数値的な検証により、このアプローチはDCおよびACフィールドの弱場不感度を効果的に軽減し、CRLB制限感度を約$1\times 10^{-4}$ V/m/$\sqrt{\text{Hz}}$とすることを示した。 さらに,単一パス感度限界を超えるために,Fabry-Pérot (FP)キャビティ強化構成を導入する。 このアーキテクチャはキャビティ内位相変調を利用して伝送傾斜を著しく急激にし、標準自由空間構成に比べて2桁以上のFIを増大させる。 この研究は、スマートグリッドにおける電磁環境の高精度な量子モニタリングのための厳密な理論的基礎と設計指針を提供する。

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