The significant progress of quantum sensing technologies offer numerous radical solutions for measuring a multitude of physical quantities at an unprecedented precision. Among them, Rydberg atomic quantum receivers (RAQRs) emerge as an eminent solution for detecting the electric field of radio frequency (RF) signals, exhibiting a great potential in assisting classical wireless communications and sensing. So far, most experimental studies have aimed for the proof of physical concepts to reveal its promise, while the practical signal model of RAQR-aided wireless communications and sensing remained under-explored. Furthermore, the performance of RAQR-based wireless receivers and their advantages over the conventional RF receivers have not been fully characterized. To fill the gap, we introduce the superheterodyne version of RAQRs to the wireless community by presenting an end-to-end reception scheme. We then develop a corresponding equivalent baseband signal model relying on a realistic reception flow. Our scheme and model provide explicit design guidance to RAQR-aided wireless systems. We next study the performance of RAQR-aided wireless systems based on our model, and compare them to a half-wavelength dipole antenna based conventional RF receiver. The results show that the RAQR is capable of achieving a substantial receive signal-to-noise ratio (SNR) gain of $\sim 22.6$ decibel (dB) and $\sim 33.5$ dB in the standard (unoptimized) and optimized configurations, respectively.


翻译:量子传感技术的重大进展为以空前精度测量多种物理量提供了众多创新解决方案。其中,里德堡原子量子接收器作为一种杰出的射频信号电场检测方案,在辅助经典无线通信与感知方面展现出巨大潜力。迄今为止,大多数实验研究聚焦于物理概念验证以揭示其前景,而RAQR辅助无线通信与感知的实际信号模型仍待深入探索。此外,基于RAQR的无线接收器性能及其相较于传统射频接收器的优势尚未得到充分表征。为填补这一空白,我们通过提出端到端接收方案,向无线通信领域引入超外差式RAQR。随后基于实际接收流程建立了相应的等效基带信号模型。该方案与模型为RAQR辅助无线系统提供了明确的设计指导。基于所建模型,我们进一步研究了RAQR辅助无线系统的性能,并将其与基于半波长偶极子天线的传统射频接收器进行对比。结果表明,在标准(未优化)与优化配置下,RAQR分别能实现约22.6分贝与约33.5分贝的显著接收信噪比增益。

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