Performance of antenna-based and Rydberg quantum RF sensors in the electrically small regime

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作者
Kelly M. Backes,Peter K. Elgee,K.-J. LeBlanc,Charles Fancher,David H. Meyer,Paul D. Kunz,Neel Malvania,Kathryn L. Nicolich,Joshua C. Hill,Bonnie L. Schmittberger,Kevin C. Cox
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:125 (14) 被引量:14
标识
DOI:10.1063/5.0222827
摘要

Rydberg atom electric field sensors are tunable quantum sensors that can perform sensitive radio frequency measurements. Their qualities have piqued interest at longer wavelengths where their small size compares favorably to impedance-matched antennas. Here, we compare the signal detection sensitivity of cm-scale Rydberg sensors to similarly sized room-temperature electrically small antennas with active and passive receiver backends. We present and analyze effective circuit models for each sensor type, facilitating a fair sensitivity comparison for cm-scale sensors. We calculate that contemporary Rydberg sensor implementations are less sensitive than unmatched antennas with active amplification. However, we find that idealized Rydberg sensors operating with a maximized atom number and at the standard quantum limit may perform well beyond the capabilities of antenna-based sensors at room temperature, the sensitivities of both lying below typical atmospheric background noise.
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