Zastosowanie technologii fotoniki mikrofalowej kwantowej

Zastosowanie kwantowetechnologia fotoniki mikrofalowej

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

Fotonika mikrofalowaprzetwarzanie sygnału
Fotonika mikrofalowa kwantowa implementuje również funkcje przetwarzania sygnału o dużej przepustowości, takie jak przesunięcie fazowe i filtrowanie. Wykorzystując element optyczny dyspersyjny i dostosowując długość fali światła, naukowcy zademonstrowali fakt, że przesunięcie fazowe RF do 8 GHz, pasma filtrowania RF do 8 GHz. Co ważne, wszystkie te cechy są osiągane przy użyciu elektroniki 3 GHz, co pokazuje, że wydajność przekracza tradycyjne limity przepustowości

Mapowanie częstotliwości nielokalnych na czas
Jedną z interesujących możliwości uzyskanych dzięki splątaniu kwantowemu jest mapowanie częstotliwości nielokalnej na czas. Ta technika może mapować widmo źródła pojedynczego fotonu pompowanego falą ciągłą na domenę czasu w odległej lokalizacji. System wykorzystuje splątane pary fotonów, w których jedna wiązka przechodzi przez filtr widmowy, a druga przechodzi przez element dyspersyjny. Ze względu na zależność częstotliwości splątanych fotonów, tryb filtrowania widmowego jest mapowany nielokalnie na domenę czasu.
Rysunek 1 ilustruje tę koncepcję:

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

Skompresowane wykrywanie
Kwantmikrofalowy optycznytechnologia zapewnia również nową metodę kompresowanego wykrywania sygnałów szerokopasmowych. Wykorzystując losowość inherentną w detekcji kwantowej, naukowcy zademonstrowali kwantowy skompresowany system wykrywania zdolny do odzyskiwaniaCzęstotliwość radiowa 10 GHzwidma. System moduluje sygnał RF do stanu polaryzacji koherentnego fotonu. Wykrywanie pojedynczych fotonów dostarcza następnie naturalną losową macierz pomiarową do kompresowanego wykrywania. W ten sposób sygnał szerokopasmowy może zostać przywrócony z częstotliwością próbkowania Yarnyquista.

Dystrybucja kluczy kwantowych
Oprócz ulepszania tradycyjnych zastosowań mikrofalowej fotoniki, technologia kwantowa może również ulepszyć systemy komunikacji kwantowej, takie jak dystrybucja klucza kwantowego (QKD). Naukowcy zademonstrowali dystrybucję klucza kwantowego multipleksowego z podnośną (SCM-QKD) poprzez multipleksowanie podnośnej fotonów mikrofalowych na system dystrybucji klucza kwantowego (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 nośnikami:

Chociaż technologia fotoniki mikrofalowej kwantowej jest obiecująca, nadal istnieją pewne wyzwania:
1. Ograniczone możliwości w czasie rzeczywistym: Obecny system wymaga dużo czasu akumulacji w celu rekonstrukcji sygnału.
2. Trudności w radzeniu sobie z sygnałami pojedynczymi/seryjnymi: Statystyczna natura rekonstrukcji ogranicza jej stosowalność 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 duże, 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. Eksploracja nowych zastosowań wykorzystujących wysoką czułość, np. pomiary mikrosfer ciekłych.
3. Dążyć do realizacji zintegrowanych fotonów i elektronów w celu zmniejszenia rozmiaru i złożoności.
4. Badanie wzmocnionej interakcji światło-materia w zintegrowanych kwantowych obwodach fotonicznych wykorzystujących mikrofale.
5. Połączenie technologii kwantowej mikrofalowo-fotonowej z innymi powstającymi technologiami kwantowymi.