中國科大實現了基于里德堡原子的電弧信號測量
中國科大郭光燦院士團隊史保森、丁冬生課題組與國網安徽電科院王恩惠博士合作使用里德堡原子電場傳感器測量了電弧MHz級射頻信號頻譜，為電弧測量提供了量子精密測量的新方法。相關成果7月2日以“Measurement of arc rf signals based on Rydberg atoms”為題發表在國際知名學術期刊《Physical Review Applied》上。
電弧故障是電力系統中電氣火災的主要誘因，突顯了及時檢測此類故障的緊迫性。傳統電弧故障檢測方法基于系統電流和電壓參數，在數據采集過程中常對現有電力系統造成干擾；而通過測量電弧射頻信號則可規避此類干擾問題。相較于傳統金屬天線，基于里德堡原子的電場傳感器具備非金屬性、自校準性和各向同性特征，理論上在工作帶寬、靈敏度等關鍵指標上展現出顯著優勢。
圖 1 ：物理模型圖。（a）為三光子激發能級示意圖。（b）為實驗裝置示意圖。（c）為電弧射頻信號發生電路示意圖。
研究團隊系統地研究了里德堡原子傳感器對電弧射頻信號的響應特性，并對比了傳統金屬天線與里德堡原子天線對電弧信號的響應，如圖2所示，證實了其測量結果與傳統金屬天線高度吻合，驗證了原子傳感器在電弧故障檢測中的適用性，尤其在低頻段（<250 kHz）里德堡原子系統展現出更優的信噪比性能。該工作還研究了原子系統對電弧射頻信號響應的距離依賴性，為實際工程應用中的探頭部署提供了重要參數依據，如圖3所示。
圖2：頻域對比圖。（a）使用金屬天線測量得到的電弧射頻信號。（b）使用里德堡原子天線測量得到的電弧射頻信號。（c）兩種測量方法的頻域信噪比對比。
該工作架起了里德堡原子傳感技術與電路中電弧射頻信號探測之間的橋梁，為電弧故障的非侵入式檢測提供了新思路，有望推動量子傳感技術在電力監測領域的發展。
中國科大博士研究生王啟鋒為本文的第一作者，丁冬生教授為本文的獨立通訊作者。該成果得到了科技部、基金委、中國科學院、安徽省重大科技專項以及中國科學技術大學的資助。
文章鏈接：https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/2jpt-6313
（量子網絡安徽省重點實驗室、物理學院、中國科學院量子信息和量子科技創新研究院、科研部）
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