里德堡原子对微波电场十分敏感，可以通过原子量子态的响应实现高灵敏电场测量，为微波探测提供一种新的量子传感方式。随着里德堡原子微波精密测量技术不断发展，微波信号如何耦合到原子传感区域，逐渐形成了两种不同的实现方式：一种是让自由空间微波与原子直接耦合的“原子天线”；另一种是通过射频端口将微波信号馈入原子区域的“原子接收机”。两种方案最终都利用里德堡原子完成微波场感知和光学读出，但微波信号进入原子传感区域的方式不同，因此在接收链路上存在区别。

原子天线：自由空间微波与原子直接耦合

原子天线的核心是让自由空间微波直接作用于里德堡原子，由原子完成微波场的量子感知，并通过光学方式进行读出。为了提高自由空间微波与有限原子敏感区域之间的耦合效率，可以利用天线、介质结构或谐振结构等，对微波场进行无源收集、聚焦和局域增强，提高原子传感区域内的微波场强及场利用效率。自由空间微波 → 增强结构（可选） → 里德堡原子 → 光学读出

图1：里德堡原子直接接收微波信号，图片来源Phy. Rev. Applied 18, 014033 (2022)。

这种方式保持了自由空间微波与里德堡原子的直接耦合。微波电场与里德堡原子作用后，可以通过电磁诱导透明、原子超外差等方式，将电场信息转换为可读取的光学信号。

原子接收机：端口耦合+原子探测

与原子天线不同，原子接收机是通过标准射频端口，将微波信号馈入波导、谐振腔或其他增强结构，再由这些结构在原子传感区域形成局域微波场，最后由里德堡原子完成探测和光学读出。自由空间微波 → 天线 → SMA接口 → 波导/谐振结构 → 里德堡原子 → 光学读出

图2：里德堡原子腔增强方案，图片来源Chin. Phys. Lett., 2025, 42(5): 053201。

与自由空间原子天线相比，这类结构不再直接利用自由空间传播场，而是通过波导或谐振结构对微波模式进行约束和调控。通过减小有效模式体积和利用谐振增强等方式，可以增强原子所在区域的微波场强，从而提高原子接收机的探测灵敏度。虽然原子天线和端口耦合原子接收机采用了不同的微波耦合方式，但两种接收方式都不需要引入传统有源射频器件，系统的核心探测过程仍由里德堡原子的量子态响应完成。因此，这两种方案都属于以原子量子测量为核心的接收方式，可以发挥里德堡原子的量子传感优势。经典接收框架：传统有源射频前端+原子探测除上述两种以原子探测为核心的接收方式外，还有一种经典射频接收框架：自由空间微波先经过天线接收和低噪声放大器（LNA）进行前置放大，再通过 SMA 接口或其他传输结构将信号送入原子传感区域，最后由里德堡原子完成探测或解调。自由空间微波 → 天线 →  LNA → 里德堡原子 → 光学读出

图3：里德堡原子经典接收框架，图片来源Sci. Rep. 14, 18025 (2024)。

这种方式利用LNA在原子探测之前提供前端增益，可以有效提高进入原子区域的信号强度。但信号在到达原子之前经过传统天线、LNA和传输链路，系统噪声会受到环境热噪声、LNA噪声以及前端传输损耗等因素的影响。此时，系统能够探测多弱的信号，不再只由原子的探测能力决定，而是与前端噪声性能密切相关。这种方案虽然利用了里德堡原子的高灵敏探测和光学读出能力，但系统灵敏度的提升主要依赖传统射频前端的信号增益和噪声性能，整体上仍受到经典接收框架的约束，难以体现里德堡原子本身的量子传感优势。

总结

里德堡原子微波接收主要可以分为原子天线和原子接收机两种实现方式，两者都以里德堡原子作为核心敏感单元。而当原子之前引入LNA等传统有源射频前端时，整个系统则进入经典射频接收框架。原子天线以自由空间微波场与原子的耦合为核心，可以通过无源结构提高场收集和利用效率；原子接收机则利用波导、谐振腔等结构提高原子区域的局域场强。虽然二者的微波耦合方式不同，但原子始终是直接感知微波场的敏感单元，能发挥其量子传感优势。相比之下，经典接收框架在原子之前加入天线和LNA，通过传统电子学增益提高实际接收灵敏度。但这种方式使整个接收链路重新回到经典射频接收架构，并再次受到热噪声、放大器噪声和传输损耗等因素的限制，里德堡原子的量子传感优势难以体现。不同接收架构的核心区别在于灵敏度提升究竟来自原子量子响应还是传统有源射频增益。前两种路线都以里德堡原子的量子响应作为核心探测机制，可以发挥原子本身的量子传感优势；而一旦在原子之前引入LNA等传统有源射频前端，系统灵敏度就会重新受到热噪声和前端器件性能的约束，使整个接收链路在系统层面重新回到经典射频接收框架。