論文の概要: A Theory of Single-Antenna Atomic Beamforming

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2601.18426v1
• Date: Mon, 26 Jan 2026 12:35:43 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-01-27 15:23:08.821802
• Title: A Theory of Single-Antenna Atomic Beamforming
• Title（参考訳）: 単一アンテナ原子ビームフォーミングの理論
• Authors: Mingyao Cui, Qunsong Zeng, Kaibin Huang,
• Abstract要約: 標準局所オシレータ(LO)装束Rydberg原子レシーバー(RARE)の空間応答に関する理論的解析について述べる。 その結果, 蒸気セル長の増大は, セル長に逆比例するビーム幅で, LOフィールドに整列した受信ビームを生成することがわかった。 本研究では, 蒸気セル長の増大とセル内を伝播するレーザの指数的パワー減衰との基本的なトレードオフを特徴付けることにより, 達成可能なビームフォーミングゲインを導出する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 39.97146756876724
• License: http://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/
• Abstract: Leveraging the quantum advantages of highly excited atoms, Rydberg atomic receivers (RAREs) represent a paradigm shift in radio wave detection, offering high sensitivity and broadband reception. However, existing studies largely model RAREs as isotropic point receivers and overlook the spatial variations of atomic quantum states within vapor cells, thus inaccurately characterizing their reception patterns. To address this issue, we present a theoretical analysis of the aforementioned spatial responses of a standard local-oscillator (LO)- dressed RARE. Our results reveal that increasing the vapor-cell length produces a receive beam aligned with the LO field, with a beamwidth inversely proportional to the cell length. This finding enables atomic beamforming to enhance received signal-to-noise ratio using only a single-antenna RARE. Furthermore, we derive the achievable beamforming gain by characterizing and balancing the fundamental tradeoff between the effects of increasing the vapor cell length and the exponential power decay of laser propagating through the cell. To overcome the limitation imposed by exponential decay, we propose a novel RARE architecture termed segmental vapor cell. This architecture consists of vapor-cell segments separated by clear-air gaps, allowing the total cell length (and hence propagation loss) to remain fixed while the effective cell length increases. As a result, this segmented design expands the effective atom-field interaction area without increasing the total vapor cell length, yielding a narrower beamwidth and thus higher beamforming gain as compared with a traditional continuous vapor cell.
• Abstract（参考訳）: 高励起原子の量子的優位性を利用して、レイドバーグ原子受信機(RARE)は電波検出のパラダイムシフトを表現し、高い感度とブロードバンド受信を提供する。 しかし、既存の研究は主にRAREを等方点受信機としてモデル化し、蒸気セル内の原子量子状態の空間的変動を見落とし、その受信パターンを不正確に特徴づけている。 そこで,本稿では,標準局所オシレータ (LO) 装束RARE の空間応答に関する理論的解析を行った。 その結果, 蒸気セル長の増大は, セル長に逆比例するビーム幅で, LOフィールドに整列した受信ビームを生成することがわかった。 この発見により、単一アンテナRAREのみを用いて受信信号対雑音比を向上させることができる。 さらに, 蒸気セル長の増大とセル内を伝播するレーザの指数的パワー減衰との基本的なトレードオフを特徴付け, バランスをとることにより, 達成可能なビームフォーミングゲインを導出する。 指数減衰による限界を克服するため, セグメント型気相セルと呼ばれる新しいRAREアーキテクチャを提案する。 この構造は、透明な空隙で分離された気-細胞セグメントで構成されており、有効細胞長が増加する間は、全細胞長(つまり、増殖損失)が固定される。 その結果、このセグメンテッドデザインは、全蒸気セル長を増大させることなく有効原子-磁場相互作用面積を拡大し、従来の連続蒸気セルと比較してビーム幅が狭く、ビームフォーミングゲインも高くなる。

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