Zastosowanie technologii kwantowej fotoniki mikrofalowej

Zastosowanie kwantutechnologia fotoniki mikrofalowej

Wykrywanie słabego sygnału
Jednym z najbardziej obiecujących zastosowań technologii kwantowej fotoniki mikrofalowej jest wykrywanie wyjątkowo słabych sygnałów mikrofalowych/RF. Dzięki wykorzystaniu detekcji pojedynczych fotonów systemy te są znacznie bardziej czułe niż metody tradycyjne. Na przykład naukowcy zademonstrowali kwantowy mikrofalowy system fotoniczny, który może wykrywać sygnały o tak niskim poziomie jak -112,8 dBm bez żadnego elektronicznego wzmocnienia. Ta wyjątkowo wysoka czułość sprawia, że ​​idealnie nadaje się do zastosowań takich jak komunikacja w przestrzeni kosmicznej.

Fotonika mikrofalowaprzetwarzanie sygnału
Kwantowa fotonika mikrofalowa wykorzystuje również funkcje przetwarzania sygnału o dużej przepustowości, takie jak przesuwanie fazowe i filtrowanie. Wykorzystując dyspersyjny element optyczny i dopasowując długość fali światła, badacze wykazali, że faza RF przesuwa się do 8 GHz, a szerokość pasma filtrowania RF sięga 8 GHz. Co ważne, wszystkie te funkcje zostały osiągnięte przy użyciu elektroniki 3 GHz, co pokazuje, że wydajność przekracza tradycyjne ograniczenia przepustowości

Nielokalne mapowanie częstotliwości na czas
Jedną z interesujących możliwości, jakie daje splątanie kwantowe, jest mapowanie nielokalnej częstotliwości na czas. Technika ta umożliwia mapowanie widma źródła pojedynczego fotonu pompowanego falą ciągłą do domeny czasu w odległej lokalizacji. System wykorzystuje splątane pary fotonów, w których jedna wiązka przechodzi przez filtr spektralny, a druga przez element dyspersyjny. Ze względu na zależność częstotliwościową splątanych fotonów, tryb filtrowania widmowego jest odwzorowywany nielokalnie w dziedzinie czasu.
Rysunek 1 ilustruje tę koncepcję:

Dzięki tej metodzie można uzyskać elastyczny pomiar widma bez bezpośredniego manipulowania mierzonym źródłem światła.

Skompresowane wykrywanie
Kwantoptyczny mikrofalowyTechnologia zapewnia także nową metodę skompresowanego wykrywania sygnałów szerokopasmowych. Wykorzystując losowość charakterystyczną dla detekcji kwantowej, badacze zademonstrowali system wykrywania skompresowany kwantowo, który jest w stanie odzyskać siłyRF 10 GHzwidma. System moduluje sygnał RF do stanu polaryzacji spójnego fotonu. Detekcja pojedynczych fotonów zapewnia następnie naturalną losową matrycę pomiarową do skompresowanego wykrywania. W ten sposób sygnał szerokopasmowy może zostać przywrócony z częstotliwością próbkowania Yarnyquista.

Kwantowa dystrybucja klucza
Oprócz ulepszania tradycyjnych zastosowań fotoniki mikrofalowej, technologia kwantowa może również ulepszyć systemy komunikacji kwantowej, takie jak kwantowa dystrybucja klucza (QKD). Badacze zademonstrowali multipleksową kwantową dystrybucję klucza podnośnego (SCM-QKD) poprzez multipleksowanie podnośnej fotonów mikrofalowych na system kwantowej dystrybucji klucza (QKD). Umożliwia to transmisję wielu niezależnych kluczy kwantowych na jednej długości fali światła, zwiększając w ten sposób wydajność widmową.
Rysunek 2 przedstawia koncepcję i wyniki eksperymentów systemu SCM-QKD z dwoma nośnymi:

Chociaż technologia fotoniki mikrofalowej jest obiecująca, nadal istnieją pewne wyzwania:
1. Ograniczone możliwości działania w czasie rzeczywistym: obecny system wymaga dużej ilości czasu na zrekonstruowanie sygnału.
2. Trudności w radzeniu sobie z sygnałami impulsowymi/pojedynczymi: statystyczny charakter rekonstrukcji ogranicza jej zastosowanie do sygnałów jednorazowych.
3. Konwersja na rzeczywisty przebieg mikrofalowy: Aby przekonwertować zrekonstruowany histogram na użyteczny kształt fali, wymagane są dodatkowe kroki.
4. Charakterystyka urządzenia: Konieczne są dalsze badania zachowania kwantowych i mikrofalowych urządzeń fotonicznych w układach połączonych.
5. Integracja: Większość współczesnych systemów wykorzystuje nieporęczne, dyskretne komponenty.

Aby stawić czoła tym wyzwaniom i poczynić postępy w tej dziedzinie, pojawia się szereg obiecujących kierunków badań:
1. Opracować nowe metody przetwarzania sygnałów w czasie rzeczywistym i pojedynczej detekcji.
2. Poznaj nowe zastosowania wykorzystujące wysoką czułość, takie jak pomiar ciekłych mikrosfer.
3. Dążyć do realizacji zintegrowanych fotonów i elektronów, aby zmniejszyć rozmiar i złożoność.
4. Zbadaj wzmocnione oddziaływanie światła z materią w zintegrowanych kwantowych mikrofalowych obwodach fotonicznych.
5. Połączyć kwantową technologię fotonów mikrofalowych z innymi pojawiającymi się technologiami kwantowymi.