Primjena tehnologije kvantne mikrovalne fotonike

Primjena kvantnemikrovalna fotonička tehnologija

Detekcija slabog signala
Jedna od primjena tehnologije kvantne mikrovalne fotonike koja najviše obećava je detekcija iznimno slabih mikrovalnih/RF signala. Korištenjem detekcije jednog fotona, ti su sustavi daleko osjetljiviji od tradicionalnih metoda. Na primjer, istraživači su demonstrirali kvantni mikrovalni fotonski sustav koji može detektirati signale niske do -112,8 dBm bez ikakvog elektroničkog pojačanja. Ova iznimno visoka osjetljivost čini ga idealnim za aplikacije kao što su komunikacije dubokog svemira.

Mikrovalna fotonikaobrada signala
Kvantna mikrovalna fotonika također implementira funkcije obrade signala visoke propusnosti kao što su fazni pomak i filtriranje. Korištenjem disperzivnog optičkog elementa i podešavanjem valne duljine svjetlosti, istraživači su pokazali činjenicu da se RF faza pomiče do 8 GHz RF filtrirajući pojasne širine do 8 GHz. Važno je da su sve ove značajke postignute korištenjem elektronike od 3 GHz, što pokazuje da performanse premašuju tradicionalna ograničenja propusnosti

Nelokalno preslikavanje frekvencije u vrijeme
Jedna zanimljiva sposobnost koju donosi kvantna isprepletenost je preslikavanje nelokalne frekvencije u vrijeme. Ova tehnika može preslikati spektar jednofotonskog izvora pumpanog kontinuiranim valom u vremensku domenu na udaljenoj lokaciji. Sustav koristi zapletene fotonske parove u kojima jedna zraka prolazi kroz spektralni filtar, a druga prolazi kroz disperzivni element. Zbog ovisnosti o frekvenciji zapetljanih fotona, način spektralnog filtriranja preslikava se nelokalno na vremensku domenu.
Slika 1 ilustrira ovaj koncept:

Ova metoda može postići fleksibilno spektralno mjerenje bez izravne manipulacije mjerenim izvorom svjetlosti.

Komprimirani senzor
Kvantnimikrovalna optičkatehnologija također nudi novu metodu za komprimirano detektiranje širokopojasnih signala. Koristeći slučajnost svojstvenu kvantnoj detekciji, istraživači su demonstrirali kvantno komprimirani senzorski sustav sposoban za oporavak10 GHz RFspektri. Sustav modulira RF signal na stanje polarizacije koherentnog fotona. Detekcija jednog fotona tada daje prirodnu slučajnu mjernu matricu za komprimirano očitavanje. Na taj se način širokopojasni signal može obnoviti pri Yarnyquist stopi uzorkovanja.

Kvantna distribucija ključeva
Osim poboljšanja tradicionalnih mikrovalnih fotonskih aplikacija, kvantna tehnologija također može poboljšati kvantne komunikacijske sustave kao što je kvantna distribucija ključa (QKD). Istraživači su demonstrirali višestruku kvantnu distribuciju ključa podnosača (SCM-QKD) multipleksiranjem podnosača mikrovalnih fotona na sustav kvantne distribucije ključa (QKD). Ovo omogućuje prijenos više neovisnih kvantnih ključeva preko jedne valne duljine svjetlosti, čime se povećava spektralna učinkovitost.
Slika 2 prikazuje koncept i eksperimentalne rezultate SCM-QKD sustava s dva nositelja:

Iako tehnologija kvantne mikrovalne fotonike obećava, još uvijek postoje neki izazovi:
1. Ograničena sposobnost stvarnog vremena: Trenutačni sustav zahtijeva puno vremena akumulacije za rekonstrukciju signala.
2. Poteškoće s rafalnim/pojedinačnim signalima: Statistička priroda rekonstrukcije ograničava njezinu primjenjivost na signale koji se ne ponavljaju.
3. Pretvorite u pravi mikrovalni valni oblik: Potrebni su dodatni koraci za pretvaranje rekonstruiranog histograma u upotrebljivi valni oblik.
4. Karakteristike uređaja: Potrebna su daljnja proučavanja ponašanja kvantnih i mikrovalnih fotonskih uređaja u kombiniranim sustavima.
5. Integracija: Većina današnjih sustava koristi glomazne diskretne komponente.

Kako bi se odgovorilo na te izazove i unaprijedilo polje, pojavljuju se brojni obećavajući istraživački pravci:
1. Razviti nove metode za obradu signala u stvarnom vremenu i pojedinačnu detekciju.
2. Istražite nove aplikacije koje koriste visoku osjetljivost, kao što je mjerenje tekućih mikrosfera.
3. Nastaviti s realizacijom integriranih fotona i elektrona kako bi se smanjila veličina i složenost.
4. Proučite poboljšanu interakciju svjetlosti i materije u integriranim kvantnim mikrovalnim fotonskim krugovima.
5. Kombinirajte kvantnu mikrovalnu fotonsku tehnologiju s drugim kvantnim tehnologijama u nastajanju.