Zastosowanie technologii fotoniki mikrofalowej kwantowej

Zastosowanie kwantowetechnologia fotoniki mikrofalowej

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

Fotonika mikrofalowaprzetwarzanie sygnałów
Kwantowa fotonika mikrofalowa wykorzystuje również funkcje przetwarzania sygnałów o wysokiej przepustowości, takie jak przesunięcie fazy i filtrowanie. Wykorzystując dyspersyjny element optyczny i dostosowując długość fali światła, naukowcy zademonstrowali, że przesunięcie fazy w paśmie RF do 8 GHz, a filtrowanie w paśmie RF do 8 GHz, jest możliwe. Co ważne, wszystkie te funkcje są osiągane przy użyciu elektroniki 3 GHz, co dowodzi, że wydajność przekracza tradycyjne ograniczenia pasma.

Mapowanie częstotliwości na czas nielokalny
Jedną z interesujących możliwości wynikających ze splątania kwantowego jest odwzorowanie częstotliwości nielokalnej na czas. Technika ta pozwala odwzorować widmo źródła pojedynczego fotonu pompowanego falą ciągłą na dziedzinę czasu w odległej lokalizacji. System wykorzystuje pary splątanych fotonów, w których jedna wiązka przechodzi przez filtr widmowy, a druga przez element dyspersyjny. Ze względu na zależność częstotliwości splątanych fotonów, tryb filtrowania widmowego jest odwzorowany nielokalnie na dziedzinę czasu.
Rysunek 1 ilustruje tę koncepcję:

Metoda ta umożliwia elastyczny pomiar widmowy bez konieczności bezpośredniej manipulacji mierzonym źródłem światła.

Skompresowane wykrywanie
Kwantmikrofalowy optycznyTechnologia ta zapewnia również nową metodę kompresji sygnałów szerokopasmowych. Wykorzystując losowość właściwą detekcji kwantowej, naukowcy zademonstrowali skompresowany system detekcji kwantowej zdolny do odzyskiwaniaCzęstotliwość radiowa 10 GHzWidma. System moduluje sygnał RF do stanu polaryzacji koherentnego fotonu. Detekcja pojedynczych fotonów dostarcza następnie naturalną, losową macierz pomiarową do kompresji. W ten sposób sygnał szerokopasmowy może zostać przywrócony z częstotliwością próbkowania Yarnyquista.

Dystrybucja klucza kwantowego
Oprócz udoskonalenia tradycyjnych zastosowań fotoniki mikrofalowej, technologia kwantowa może również usprawnić kwantowe systemy komunikacyjne, takie jak kwantowa dystrybucja klucza (QKD). Naukowcy zademonstrowali multipleksową dystrybucję klucza kwantowego z podnośnymi (SCM-QKD) poprzez multipleksowanie podnośnej fotonów mikrofalowych na system kwantowej dystrybucji klucza (QKD). Pozwala to na transmisję wielu niezależnych kluczy kwantowych na jednej długości fali światła, zwiększając tym samym wydajność widmową.
Rysunek 2 przedstawia koncepcję i wyniki eksperymentów systemu SCM-QKD z dwoma nośnymi:

Chociaż technologia fotoniki mikrofalowej kwantowej jest obiecująca, wciąż istnieją pewne wyzwania:
1. Ograniczona możliwość pracy w czasie rzeczywistym: Obecny system wymaga dużo czasu akumulacji w celu rekonstrukcji sygnału.
2. Trudności w radzeniu sobie z sygnałami pojedynczymi/burstowymi: Statystyczna natura rekonstrukcji ogranicza jej przydatność do sygnałów niepowtarzalnych.
3. Konwersja na rzeczywistą falę mikrofalową: Aby przekształcić zrekonstruowany histogram w użyteczną falę, konieczne jest wykonanie dodatkowych kroków.
4. Charakterystyka urządzeń: Konieczne są dalsze badania nad zachowaniem urządzeń fotonicznych kwantowych i mikrofalowych w układach łączonych.
5. Integracja: Większość współczesnych systemów wykorzystuje nieporęczne, dyskretne komponenty.

Aby sprostać tym wyzwaniom i posunąć tę dziedzinę naprzód, pojawia się szereg obiecujących kierunków badań:
1. Opracowanie nowych metod przetwarzania sygnałów w czasie rzeczywistym i wykrywania pojedynczych sygnałów.
2. Badanie nowych zastosowań wykorzystujących wysoką czułość, np. pomiar mikrosfer ciekłych.
3. Dążyć do realizacji zintegrowanych fotonów i elektronów w celu zmniejszenia rozmiaru i złożoności.
4. Zbadaj wzmocnioną interakcję światła z materią w zintegrowanych obwodach fotonicznych wykorzystujących mikrofale i kwant.
5. Połączenie technologii fotonów mikrofalowych z innymi powstającymi technologiami kwantowymi.