Primjena tehnologije kvantne mikrovalne fotonike

Primjena kvantnogtehnologija mikrovalne fotonike

Detekcija slabog signala
Jedna od najperspektivnijih primjena tehnologije kvantne mikrovalne fotonike je detekcija izuzetno slabih mikrovalnih/RF signala. Korištenjem detekcije pojedinačnih fotona, ovi sustavi su 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 ultra visoka osjetljivost čini ga idealnim za primjene poput komunikacije u dubokom svemiru.

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

Mapiranje nelokalne frekvencije u vrijeme
Jedna zanimljiva sposobnost koju donosi kvantna isprepletenost je mapiranje nelokalne frekvencije u vrijeme. Ova tehnika može mapirati spektar kontinuirano valno pumpanog jednofotonskog izvora u vremensku domenu na udaljenoj lokaciji. Sustav koristi isprepletene parove fotona u kojima jedna zraka prolazi kroz spektralni filter, a druga prolazi kroz disperzivni element. Zbog frekvencijske ovisnosti isprepletenih fotona, način spektralnog filtriranja se nelokalno mapira u vremensku domenu.
Slika 1 ilustrira ovaj koncept:

Ovom metodom moguće je postići fleksibilno spektralno mjerenje bez izravne manipulacije izmjerenim izvorom svjetlosti.

Komprimirano očitavanje
Kvantnimikrovalni optičkitehnologija također pruža novu metodu za komprimirano očitavanje širokopojasnih signala. Koristeći slučajnost svojstvenu kvantnoj detekciji, istraživači su demonstrirali kvantni komprimirani sustav očitavanja sposoban za oporavak10 GHz RFspektri. Sustav modulira RF signal u stanje polarizacije koherentnog fotona. Detekcija pojedinačnih fotona tada pruža prirodnu matricu slučajnih mjerenja za komprimirano očitavanje. Na taj način, širokopojasni signal može se obnoviti Yarnyquistovom brzinom uzorkovanja.

Kvantna distribucija ključeva
Osim poboljšanja tradicionalnih primjena mikrovalne fotonike, kvantna tehnologija također može poboljšati kvantne komunikacijske sustave poput kvantne distribucije ključeva (QKD). Istraživači su demonstrirali multipleksnu kvantnu distribuciju ključeva s podnosiocem (SCM-QKD) multipleksiranjem podnosioca mikrovalnih fotona na sustav kvantne distribucije ključeva (QKD). To 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 nosioca:

Iako je tehnologija kvantne mikrovalne fotonike obećavajuća, još uvijek postoje neki izazovi:
1. Ograničene mogućnosti rada u stvarnom vremenu: Trenutni sustav zahtijeva puno vremena akumulacije za rekonstrukciju signala.
2. Poteškoće u radu s rafalnim/pojedinačnim signalima: Statistička priroda rekonstrukcije ograničava njezinu primjenjivost na neponavljajuće signale.
3. Pretvaranje u stvarni mikrovalni valni oblik: Potrebni su dodatni koraci za pretvaranje rekonstruiranog histograma u upotrebljiv valni oblik.
4. Karakteristike uređaja: Potrebno je daljnje proučavanje ponašanja kvantnih i mikrovalnih fotonskih uređaja u kombiniranim sustavima.
5. Integracija: Većina sustava danas koristi glomazne diskretne komponente.

Kako bi se riješili ovi izazovi i unaprijedilo područje, pojavljuje se niz obećavajućih istraživačkih smjerova:
1. Razviti nove metode za obradu signala u stvarnom vremenu i pojedinačno otkrivanje.
2. Istražiti nove primjene koje koriste visoku osjetljivost, kao što je mjerenje tekućih mikrosfera.
3. Težiti ostvarenju integriranih fotona i elektrona kako bi se smanjila veličina i složenost.
4. Proučite pojačanu interakciju svjetlosti i materije u integriranim kvantnim mikrovalnim fotonskim krugovima.
5. Kombinirati kvantnu mikrovalnu fotonsku tehnologiju s drugim novim kvantnim tehnologijama.