DE-102024112110-A9 - QUANTENSENSORSYSTEM ZUR ERFASSUNG VON ELEKTROMAGNETISCHER STRAHLUNG

Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Quantensensorsystem zum Erfassen elektromagnetischer Strahlung (EM). Der Quantensensor umfasst ein Element, das so konfiguriert ist, dass es die EM-Strahlung formt und/oder fokussiert, um eine inhomogene Feldverteilung in einem Bereich zu erzeugen; mindestens zwei Quantensensoren, die an verschiedenen Stellen in dem Bereich angeordnet sind, wobei jeder der Quantensensoren ein Erfassungsvolumen umfasst, das so konfiguriert ist, dass es mit der EM-Strahlung wechselwirkt; mindestens einen Detektor, der so konfiguriert ist, dass er eine Wechselwirkung der EM-Strahlung mit jedem Erfassungsvolumen erfasst, wobei die Wechselwirkung einen Leistungspegel der EM-Strahlung am Ort des jeweiligen Erfassungsvolumens anzeigt; und einen Prozessor, der so konfiguriert ist, dass er eine Signalcharakteristik der EM-Strahlung auf der Grundlage einer Korrelation der Leistungspegel an den Orten der Erfassungsvolumen bestimmt.

Inventors

• Thomas RUSTER
• Philipp Treutlein
• Yongqi Shi
• Melvyn Ho

Assignees

• Rohde & Schwarz GmbH & Co. Kommanditgesellschaft
• UNIVERSITÄT BASEL

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20240430

Priority Date

20230602

Claims (19)

1. Quantensensorsystem zur Detektion elektromagnetischer Strahlung (EM), aufweisend: ein Element, das so konfiguriert ist, dass es die EM-Strahlung formt und/oder fokussiert, um eine inhomogene Feldverteilung in einem Gebiet zu erzeugen; mindestens zwei Quantensensoren, die an verschiedenen Stellen in dem Gebiet angeordnet sind, wobei jeder der Quantensensoren ein Erfassungsvolumen umfasst, das so konfiguriert ist, dass es mit der EM-Strahlung wechselwirkt; mindestens einen Detektor, der so konfiguriert ist, dass er eine Wechselwirkung der EM-Strahlung mit jedem Erfassungsvolumen erfasst, wobei die Wechselwirkung einen Leistungspegel der EM-Strahlung an der Stelle des jeweiligen Erfassungsvolumens anzeigt; und einen Prozessor, der so konfiguriert ist, dass er eine Signalcharakteristik der EM-Strahlung auf der Grundlage einer Korrelation der Leistungspegel an den Orten der Erfassungsvolumina bestimmt.
2. Quantensensorsystem nach Anspruch 1 , das ferner umfasst: eine Signalquelle, die so konfiguriert ist, dass sie die EM-Strahlung auf der Grundlage einer zu analysierenden physikalischen Größe erzeugt.
3. Quantensensorsystem nach Anspruch 1 , wobei die mindestens zwei Quantensensoren an Orten in dem Bereich mit unterschiedlichen Leistungspegeln, insbesondere unterschiedlichen Amplituden, der EM-Strahlung angeordnet sind, so dass mindestens einer der Quantensensoren einen Leistungspegel der EM-Strahlung erfassen kann, wenn der andere Quantensensor in Sättigung ist.
4. Quantensensorsystem nach Anspruch 1 , wobei die Erfassungsvolumina der mindestens zwei Quantensensoren jeweils eine Anzahl von Atomen in einem Grundzustand oder einem angeregten Quantenzustand umfassen.
5. Quantensensorsystem nach Anspruch 4 , wobei mindestens ein Quantensensor eine Gaszelle umfasst, wobei die Anzahl der Atome in der Gaszelle in gasförmiger Form gespeichert ist.
6. Quantensensorsystem nach Anspruch 4 , das ferner umfasst: mindestens eine Lichtquelle, die so konfiguriert ist, dass sie die Erfassungsvolumina der mindestens zwei Quantensensoren mit einem Lichtstrahl bestrahlt, wobei die Erfassungsvolumina durch den Lichtstrahl optisch angeregt werden; und/oder mindestens eine Feldgeneratoreinheit, die so konfiguriert ist, dass sie ein elektrisches und/oder magnetisches Feld innerhalb der Erfassungsvolumina der mindestens zwei Quantensensoren erzeugt, wobei eine Resonanzfrequenz der Anzahlatome in den Erfassungsvolumina durch eine Amplitude des elektrischen und/oder magnetischen Feldes verändert wird.
7. Quantensensorsystem nach Anspruch 1 , wobei die Erfassungsvolumina der mindestens zwei Quantensensoren getrennt voneinander angeordnet sind.
8. Quantensensorsystem nach Anspruch 1 , wobei die Erfassungsvolumina der mindestens zwei Quantensensoren entlang eines Gradienten der inhomogenen Feldverteilung der EM-Strahlung direkt nebeneinander angeordnet sind und/oder sich zumindest teilweise überlappen.
9. Quantensensorsystem nach Anspruch 1 , wobei das Element eine Antenne, wie z. B. eine Parabolantenne, umfasst.
10. Quantensensorsystem nach Anspruch 1 , wobei das Element einen Absorber umfasst, der so gestaltet ist, dass er zumindest einen Teil der EM-Strahlung absorbiert.
11. Verfahren zur Detektion elektromagnetischer, EM, Strahlung, das die folgenden Schritte umfasst: Formung und/oder Fokussierung der EM-Strahlung zur Erzeugung einer inhomogenen Feldverteilung in einem Gebiet; Empfangen der EM-Strahlung mit mindestens zwei Quantensensoren, die an verschiedenen Stellen in dem Gebiet angeordnet sind, wobei jeder der Quantensensoren ein Erfassungsvolumen umfasst, das so konfiguriert ist, dass es mit der EM-Strahlung in Wechselwirkung tritt; Erfassen einer Wechselwirkung der EM-Strahlung mit jedem Erfassungsvolumen, wobei die jeweilige Wechselwirkung einen Leistungspegel der EM-Strahlung an der Stelle des Erfassungsvolumens angibt; und Bestimmung einer Signalcharakteristik der EM-Strahlung auf der Grundlage einer Korrelation der Leistungspegel an den Orten der Erfassungsvolumen.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , das ferner den folgenden Schritt umfasst: die Erzeugung der EM-Strahlung auf der Grundlage einer zu analysierenden physikalischen Größe.
13. Verfahren nach Anspruch 11 , wobei die mindestens zwei Quantensensoren an Orten in dem Bereich mit unterschiedlichen Leistungspegeln, insbesondere unterschiedlichen Amplituden, der EM-Strahlung angeordnet sind, so dass mindestens einer der Quantensensoren einen Leistungspegel der EM-Strahlung erfassen kann, wenn der andere Quantensensor in Sättigung ist.
14. Verfahren nach Anspruch 11 , wobei die Sensorvolumina eine Anzahl von Atomen umfassen, die optisch, magnetisch und/oder elektrisch in einen angeregten Quantenzustand versetzt wurden.
15. Quantensensorsystem zur Detektion elektromagnetischer, EM-Strahlung, umfassend: einen Quantensensor, der so angeordnet ist, dass er die EM-Strahlung empfängt, wobei der Quantensensor ein Erfassungsvolumen umfasst, das so konfiguriert ist, dass es mit der EM-Strahlung auf mindestens zwei unterscheidbare Weisen auf der Grundlage von mindestens zwei verschiedenen Atomspezies und/oder mindestens zwei verschiedenen atomaren Übergängen wechselwirkt; mindestens einen Detektor, der so konfiguriert ist, dass er Wechselwirkungen der EM-Strahlung mit dem Erfassungsvolumen auf jede der mindestens zwei unterscheidbaren Arten erfasst; und einen Prozessor, der so konfiguriert ist, dass er eine Signalcharakteristik der EM-Strahlung auf der Grundlage einer Korrelation der erfassten Wechselwirkungen bestimmt.
16. Quantensensorsystem nach Anspruch 15 , das außerdem aufweist: eine Signalquelle, die so konfiguriert ist, dass sie die EM-Strahlung auf der Grundlage einer zu analysierenden physikalischen Größe erzeugt.
17. Quantensensorsystem nach Anspruch 15 , wobei die Wechselwirkungen der EM-Strahlung mit dem Erfassungsvolumen mindestens zwei verschiedene Arten von atomaren Übergängen im Erfassungsvolumen als Reaktion auf die EM-Strahlung umfassen.
18. Quantensensorsystem nach Anspruch 15 , wobei die mindestens zwei verschiedenen Atomspezies mit der EM-Strahlung auf mindestens zwei verschiedene Arten wechselwirken.
19. Quantensensorsystem nach Anspruch 15 , wobei das Quantensensorsystem eine Gaszelle aufweist, in der die mindestens zwei verschiedenen Atomspezies in der Gaszelle in gasförmiger Form gespeichert sind.

Description

Technischer Bereich Die Offenbarung bezieht sich auf Quantensensorsysteme zum Erfassen elektromagnetischer Strahlung und auf entsprechende Verfahren zum Erfassen elektromagnetischer Strahlung. Stand der Technik In den letzten Jahren ist das Interesse an der Detektion elektromagnetischer Strahlung (EM) mit Quantensystemen stark gestiegen. Zu den gebräuchlichsten Quantensystemen gehören Atome im Grundzustand, angeregte Atome (insbesondere in Rydberg-Zuständen) oder atomähnliche Systeme wie NV-Defekte in Diamanten. Ein Quantensensor, der ein solches Quantensystem verwendet, kann beispielsweise EM-Strahlung durch resonante Übergänge zwischen zwei Energiezuständen im Quantensystem detektieren. Abhängig vom jeweiligen Quantensystem und der Auslesetechnik zeigen die meisten Wechselwirkungen ein Sättigungsverhalten für hohe Leistungen in der elektromagnetischen Strahlung. Der Grund dafür können Dekohärenzeffekte sein, die durch eine große Anzahl von Rabi-Oszillationen, die Anregung von bereits gesättigten Zwei-Niveau-Systemen oder Wechselwirkungen mit anderen Energieniveaus verursacht werden. Dieses Sättigungsverhalten begrenzt in der Regel den dynamischen Bereich des Sensors. Ein weiterer problematischer Effekt ist die Leistungsverbreiterung. Die Leistungsverbreiterung beschreibt den Effekt, dass sich atomare Übergänge im Frequenzraum verbreitern, wenn eine elektromagnetische Welle mit hoher Leistung angelegt wird. Dies bedeutet, dass auch Übergänge bei benachbarten Frequenzen reagieren. Bei der Analyse des Spektrums eines Signals mit Leistungsverbreiterung ist es unter Umständen nicht möglich, ein schmalbandiges Signal hoher Leistung von einem breitbandigen Signal niedriger Leistung zu unterscheiden. Zusammenfassung Daher besteht die Notwendigkeit, ein verbessertes Quantensensorsystem zu entwickeln, das einen höheren Dynamikbereich ermöglicht. Dies wird durch die im beigefügten unabhängigen Anspruch angegebenen Ausführungsformen erreicht. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind in den abhängigen Ansprüchen weiter definiert. Gemäß einem ersten Aspekt bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf ein Quantensensorsystem zum Erfassen elektromagnetischer Strahlung. Das Quantensensorsystem umfasst: ein Element, das so konfiguriert ist, dass es die EM-Strahlung formt und/oder fokussiert, um eine inhomogene Feldverteilung in einem Bereich zu erzeugen; mindestens zwei Quantensensoren , die an verschiedenen Stellen in dem Bereich angeordnet sind, wobei jeder der Quantensensoren ein Erfassungsvolumen umfasst, das so konfiguriert ist, dass es mit der EM-Strahlung wechselwirkt; mindestens einen Detektor, der so konfiguriert ist, dass er eine Wechselwirkung der EM-Strahlung mit jedem Erfassungsvolumen erfasst, wobei die Wechselwirkung einen Leistungspegel der EM-Strahlung an dem Ort des jeweiligen Erfassungsvolumens anzeigt; und einen Prozessor, der so konfiguriert ist, dass er eine Signalcharakteristik der EM-Strahlung auf der Grundlage einer Korrelation der Leistungspegel an den Orten der Erfassungsvolumina bestimmt. Dies hat den Vorteil, dass ein Quantensensorsystem mit einem hohen Dynamikbereich bereitgestellt werden kann. Durch die Vielzahl von Quantensensoren, die an verschiedenen Stellen des inhomogenen Feldes angeordnet sind, kann das System Strahlung derselben Quelle mit unterschiedlichen Leistungen (d.h. Amplituden) messen, z.B. durch unterschiedliche Übergangsstärken in den Messvolumina. Jeder der Quantensensoren kann einen eigenen Detektor umfassen. Es kann jedoch auch ein Detektor für mehrere Quantensensoren vorhanden sein, beispielsweise wenn die Erfassungsvolumina dieser Sensoren direkt nebeneinander oder in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet sind. Die inhomogene Feldverteilung kann sich auf eine inhomogene lokale Verteilung der Amplitude der EM-Strahlung (d. h. der Wellen des EM-Feldes) in dem Gebiet beziehen. Beispielsweise kann das Element eine allmähliche oder sofortige Änderung der Amplitude der Wellen der EM-Strahlung in dem Bereich bewirken, in dem die Quantensensoren angeordnet sind, z. B. aufgrund einer teilweisen Absorption der EM-Strahlung, so dass die Erfassungsvolumina der beiden Quantensensoren die EM-Strahlung mit einer unterschiedlichen Amplitude empfangen. Der Bereich kann ein Erfassungsbereich sein, in dem die Quantensensoren angeordnet sind. In einer Ausführungsform umfasst das Quantensensorsystem ferner eine Signalquelle, die so konfiguriert ist, dass sie die EM-Strahlung auf der Grundlage einer zu analysierenden physikalischen Größe erzeugt. Bei der physikalischen Größe kann es sich zum Beispiel um ein elektrisches oder magnetisches Feld, einen Druck oder eine Temperatur handeln. Durch Erfassen der EM-Strahlung können Informationen über die physikalische Größe gewonnen werden. Die Signalquelle kann eine Antenne zur Erzeugung und/oder Aussendung der EM-Strahlung umfassen. Anstelle einer Signalquelle, die die EM-Strahlung auf Basis der physikalischen Größe erzeug