透過冷原子雷德堡態中的誘導態轉移，對毫米波黑體輻射進行原級量子測溫

Kernkonzepte

本文展示了一種基於冷原子雷德堡態中黑體輻射誘導躍遷的原級量子溫度計，它能夠在約 100 GHz 頻率範圍內實現 SI 可溯源的溫度測量。

Zusammenfassung

書目資訊

Schlossberger, N., Rotunno, A. P., Eckel, S. P., Norrgard, E. B., Manchaiah, D., Prajapati, N., ... & Holloway, C. L. (2024). 透過冷原子雷德堡態中的誘導態轉移，對毫米波黑體輻射進行原級量子測溫。[預印本]。

研究目標

本研究旨在開發一種基於量子現象的新型原級溫度計，用於測量毫米波範圍內的黑體輻射溫度。

方法

研究人員利用冷銣-85 原子，並透過雙光子激發將其製備到雷德堡態。接著，他們追蹤由於黑體輻射引起的雷德堡態間的粒子數轉移，特別關注 32S 態到鄰近態（主要是 32P 態）的轉移，此過程對 130 GHz 頻率的黑體輻射敏感。透過選擇性場游離技術讀取雷德堡態的粒子數，並與理論模型進行比較，以確定環境溫度。

主要發現

• 研究人員成功地證明了利用冷原子雷德堡態中黑體輻射誘導躍遷進行溫度測量。
• 他們開發了一種理論模型，可以準確地再現觀測到的態轉移動力學。
• 他們證明該測量方法對溫度變化敏感，並在 3.3 分鐘內分辨出 1.5 K 的溫差。

主要結論

這項工作展示了一種基於冷原子雷德堡態的新型原級溫度計，它能夠在約 100 GHz 頻率範圍內實現 SI 可溯源的溫度測量。

意義

這項研究為開發基於量子現象的新型精密測溫技術開闢了道路，並可能對各個領域產生影響，包括計量學、基礎物理學和量子資訊科學。

局限性和未來研究

• 目前測量的不確定度 (3 K) 仍高於現有技術。
• 未來的工作將集中在提高測量靈敏度和降低系統誤差，以實現更高的準確度。
• 研究人員還計劃探索在其他頻率範圍內運作的類似測溫技術。

Statistiken

在 300 K 溫度下，130 GHz 躍遷頻率對應的黑體輻射能量密度比 30 THz 附近的峰值低約 2000 倍。
該系統對分數溫度不確定度的統計靈敏度為 0.09 Hz−1/2，相當於室溫下為 26 K·Hz−1/2。
作為原級溫度標準使用時，系統分數溫度不確定度經計算為 0.006，相當於室溫下為 2 K。
目前最先進的原子鐘黑體輻射表徵依賴於傳統的熱感測器，通常是放置在原子周圍環境中的鉑電阻溫度探測器 (RTD)，其溫度不確定度約為 10 mK，由於黑體輻射引起的斯塔克位移，導致鐿的分數頻率不確定度約為 10−18。

Zitate

「這項工作代表了在使用雷德堡原子作為在約 100 GHz 頻段運作的 SI 可溯源溫度感測器方面的第一步。」

Wichtige Erkenntnisse aus

Primary quantum thermometry of mm-wave blackbody radiation via induced state transfer in Rydberg states of cold atoms

by Noah Schloss... um arxiv.org 10-16-2024

https://arxiv.org/pdf/2410.11694.pdf

Tiefere Fragen

基於雷德堡原子的量子測溫技術如何與其他新興的量子感測技術（如基於 NV 色心的技術）相比較？

雷德堡原子和基於 NV 色心的技術都展現出作為量子感測器的巨大潛力，它們各自具有優缺點：
雷德堡原子測溫技術：

優點：

SI 可追溯性： 可以直接與 SI 單位聯繫起來，無需外部校準。
高靈敏度： 對微波黑體輻射表現出極高的靈敏度，適用於微波頻段的精密測量。
可擴展性： 雷德堡原子陣列的發展為大規模量子感測提供了可能性。

缺點：

技術複雜性： 需要複雜的雷射系統和真空環境，操作成本較高。
環境敏感性： 易受電場和磁場的影響，需要仔細屏蔽。
基於 NV 色心的量子感測技術：

優點：

室溫操作： NV 色心可以在室溫下工作，簡化了實驗設置。
空間分辨率高： NV 色心尺寸小，可用於微觀尺度的測量。
多功能性： 可用於感測溫度、磁場、電場等多種物理量。

缺點：

靈敏度受限： 相較於雷德堡原子，對微波黑體輻射的靈敏度較低。
SI 可追溯性： 通常需要外部校準才能與 SI 單位聯繫起來。
總結：
雷德堡原子測溫技術在微波頻段具有更高的靈敏度和 SI 可追溯性，適用於精密測量。而基於 NV 色心的技術則具有室溫操作和高空間分辨率的優勢，更適合於微觀尺度和多功能感測應用。

如果將這種測溫技術應用於極端環境（如極低溫或強電磁場），會面臨哪些挑戰和限制？

將基於雷德堡原子的測溫技術應用於極端環境會面臨以下挑戰和限制：

極低溫：

黑體輻射信號降低： 極低溫下黑體輻射強度顯著降低，影響測量靈敏度。
雷德堡原子壽命延長： 低溫會延長雷德堡原子的自然壽命，導致測量時間增加。
冷卻技術複雜性： 達到極低溫需要複雜且昂貴的冷卻技術。

強電磁場：

塞曼效應和斯塔克效應： 強電磁場會導致雷德堡能級的塞曼分裂和斯塔克移動，影響測量精度。
電磁干擾： 強電磁場會對測量系統產生電磁干擾，需要更有效的屏蔽措施。

其他挑戰：

真空技術： 極端環境對真空技術要求更高，以減少碰撞和其他環境影響。
材料限制： 極端環境下，實驗材料的選擇受限，需要考慮材料的熱膨脹、電磁特性等因素。
應對策略：

提高靈敏度： 採用更靈敏的探測技術，例如超導單光子探測器，以提高信號強度。
選擇合適的雷德堡態： 選擇對電磁場不敏感的雷德堡態，或利用電磁場效應進行測量。
優化實驗設計： 採用更有效的屏蔽和隔離措施，降低環境影響。
總之，將基於雷德堡原子的測溫技術應用於極端環境需要克服諸多挑戰，但通過技術改進和實驗優化，有望實現極端環境下的精密測溫。

這項研究的成果是否可以用於探索黑體輻射的量子性質，例如熱場的量子漲落？

這項研究主要集中在利用雷德堡原子對黑體輻射的敏感性進行經典測溫，並未直接探測黑體輻射的量子性質，例如熱場的量子漲落。
探索黑體輻射量子性質的挑戰：

經典測量極限： 這項研究中的測量方法基於原子的粒子數和能級躍遷，本質上是經典測量，無法直接探測量子漲落。
弱耦合強度： 雷德堡原子與黑體輻射場的耦合強度相對較弱，難以觀察到明顯的量子效應。
環境噪聲： 熱噪聲和其他環境噪聲會掩蓋微弱的量子漲落信號。
未來發展方向：

增強耦合強度： 可以通過將雷德堡原子耦合到高品質因數的微波腔中來增強原子與輻射場的相互作用，提高對量子漲落的敏感度。
量子測量技術： 探索基於量子態的測量方法，例如量子糾纏和量子 squeezing，以突破經典測量的限制，直接探測量子漲落。
低溫環境： 在極低溫下，熱噪聲會被抑制，有利於觀察量子效應。
總結：
雖然這項研究本身並未直接探索黑體輻射的量子性質，但它為未來發展更靈敏的量子感測技術，進一步研究黑體輻射的量子特性提供了基礎。通過結合更先進的實驗技術和量子測量方法，有望利用雷德堡原子等量子體系揭示黑體輻射的量子奧秘。