The intrinsic integration of Rydberg atomic receivers into wireless communication systems is proposed, by harnessing the principles of quantum physics in wireless communications. More particularly, we conceive a pair of Rydberg atomic receivers, one incorporates a local oscillator (LO), referred to as an LO-dressed receiver, while the other operates without an LO and is termed an LO-free receiver. The appropriate wireless model is developed for each configuration, elaborating on the receiver's responses to the radio frequency (RF) signal, on the potential noise sources, and on the signal-to-noise ratio (SNR) performance. The developed wireless model conforms to the classical RF framework, facilitating compatibility with established signal processing methodologies. Next, we investigate the associated distortion effects that might occur, specifically identifying the conditions under which distortion arises and demonstrating the boundaries of linear dynamic ranges. This provides critical insights into its practical implementations in wireless systems. Finally, extensive simulation results are provided for characterizing the performance of wireless systems, harnessing this pair of Rydberg atomic receivers. Our results demonstrate that LO-dressed systems achieve a significant SNR gain of approximately 40~50 dB over conventional RF receivers in the standard quantum limit regime. This SNR head-room translates into reduced symbol error rates, enabling efficient and reliable transmission with higher-order constellations.


翻译:本文提出将里德堡原子接收器本质性地集成到无线通信系统中,通过利用量子物理原理增强无线通信性能。具体而言,我们设计了一对里德堡原子接收器:其中一种包含本地振荡器(LO),称为LO修饰接收器;另一种无需LO运行,称为无LO接收器。针对每种配置建立了相应的无线信道模型,详细阐述了接收器对射频(RF)信号的响应特性、潜在噪声源以及信噪比(SNR)性能。所构建的无线模型符合经典射频框架,确保与现有信号处理方法的兼容性。进一步,我们研究了可能出现的失真效应,特别明确了失真产生的条件并论证了线性动态范围的边界,这为其在无线系统中的实际应用提供了关键依据。最后,通过大量仿真结果表征了采用该对里德堡原子接收器的无线系统性能。研究表明,在标准量子极限范围内,LO修饰系统相较于传统射频接收器可实现约40~50 dB的显著SNR增益。该SNR裕量可转化为更低的符号错误率,从而支持采用高阶调制星座实现高效可靠的传输。

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