基于三色激发的 Rydberg 原子量子接收机用于无线通信：两种激发方式的比较
信息论
2026-05-14 v3 math.IT
摘要
本文研究了一种基于三色（3C）激光激发的 Rydberg 原子量子接收机（RAQR）架构，用于无线通信，采用五能级（5L）电子跃迁机制。具体而言，传统的两种颜色（2C）RAQR采用四能级（4L）激发，面临三个根本性障碍：1）依赖不稳定的蓝光激光器导致高成本和工程难题；2）由于剩余多普勒展宽，在热原子中存在根本性灵敏度限制；3）由于两种光子共振的能级限制，无法检测低频段。为解决这些问题，本文分析了一种基于全红/红外激光器的 3C5L-RAQR 架构，不仅解决了工程成本问题，还通过表现出的三光子共振实现有效的多普勒消除和低频检测。将原子物理与通信理论相结合，推导了端到端的等效基带信号模型。此外，还以灵敏度、可实现容量和频谱访问范围等方面评估了不同 RAQR 架构的性能。进一步通过运用 Liouvillian 超算子形式，提供了实际 RAQR 的精确数值解。数值结果表明，所提出的 3C5L-RAQR 在灵敏度方面优于传统的 2C4L-RAQR 以及基于导体天线的经典接收机。最后揭示了固有的灵敏度-容量权衡，表明 3C5L-RAQR 更适合部署在需要广泛频谱访问且功率受限的通信场景中。
引用
@article{arxiv.2603.24062,
title = {Rydberg Atomic Quantum Receivers for Wireless Communications: Two-Color vs. Three-Color Excitation},
author = {Jian Xiao and Tierui Gong and Ji Wang and Erry Gunawan and Chau Yuen},
journal= {arXiv preprint arXiv:2603.24062},
year = {2026}
}