An efficient three-color (3C) laser excitation-based Rydberg atomic quantum receiver (RAQR) architecture is investigated for wireless communications, utilizing a five-level (5L) electronic transition mechanism. Specifically, the conventional two-color (2C) RAQR with the four-level (4L) excitation faces three fundamental obstacles: 1) high cost and engineering challenges due to the reliance on unstable blue lasers; 2) a fundamental sensitivity limit in thermal atoms caused by residual Doppler broadening; and 3) the inability to detect low-frequency bands due to the energy-level constraint of two-photon resonance. To address these challenges, this paper analyzes a 3C5L-RAQR architecture with all-red/infrared lasers, which not only solves the engineering cost issues but also enables effective Doppler cancellation and low-frequency detection by exhibiting the three-photon resonance. Bridging atomic physics and communication theory, an end-to-end equivalent baseband signal model is derived. Furthermore, the performance of different RAQR architectures is evaluated in terms of sensitivity, achievable capacity and spectrum access range. Moreover, we provide an exact numerical solution for practical RAQRs by employing the Liouvillian superoperator formalism. Numerical results demonstrate that the exhibited 3C5L-RAQR achieves superior sensitivity compared to the conventional 2C4L-RAQR and the classical receiver based on the conductor antenna. Finally, the inherent sensitivity-capacity trade-off is revealed, showing that the 3C5L-RAQR is more suitable for deployment in power-limited communication scenarios demanding broad spectrum access.


翻译:本文研究了一种基于高效三色(3C)激光激发的Rydberg原子量子接收机(RAQR)架构,用于无线通信,该架构利用五能级(5L)电子跃迁机制。具体而言,传统的基于四能级(4L)激发的双色(2C)RAQR面临三大根本性障碍:1)依赖不稳定的蓝色激光导致成本高昂且面临工程挑战;2)残余多普勒展宽导致热原子存在基本灵敏度极限;3)双光子共振的能级约束使其无法检测低频段。为应对这些挑战,本文分析了一种采用全红/红外激光的3C5L-RAQR架构,该架构不仅解决了工程成本问题,还通过实现三光子共振实现了有效多普勒消除和低频检测。通过桥接原子物理学与通信理论,推导了端到端的等效基带信号模型。此外,从灵敏度、可达容量和频谱接入范围三个方面评估了不同RAQR架构的性能。同时,采用Liouvillian超算符形式为实际RAQR提供了精确数值解。数值结果表明,所提出的3C5L-RAQR相较于传统2C4L-RAQR和基于导体天线的经典接收机实现了更优的灵敏度。最后,揭示了固有的灵敏度-容量折衷关系,表明3C5L-RAQR更适用于需要广谱接入的功率受限通信场景。

0
下载
关闭预览

相关内容

《利用激光雷达实现无人机蜂群检测与追踪研究》
专知会员服务
20+阅读 · 2025年6月2日
《无源合成孔径雷达发射器选择优化》美空军239页
专知会员服务
22+阅读 · 2024年8月4日
《量子雷达目标探测》
专知会员服务
21+阅读 · 2024年5月13日
懂一点物理的人工智能
PaperWeekly
14+阅读 · 2019年12月5日
美军电磁频谱战的发展及启示
科技导报
17+阅读 · 2019年3月25日
基于几何特征的激光雷达地面点云分割
泡泡机器人SLAM
15+阅读 · 2018年4月1日
深度学习目标检测模型全面综述:Faster R-CNN、R-FCN和SSD
深度学习世界
10+阅读 · 2017年9月18日
论文笔记:多任务相关粒子滤波跟踪器
统计学习与视觉计算组
10+阅读 · 2017年7月7日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
最新内容
学习数据的几何:形状空间分析数学综述
专知会员服务
4+阅读 · 6月17日
定向能反无人机系统最新发展动态
专知会员服务
7+阅读 · 6月17日
从燃煤战舰到算法战争:水面指挥的永恒要求
专知会员服务
4+阅读 · 6月17日
相关基金
国家自然科学基金
0+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员