Застосування технології квантової мікрохвильової фотоніки

Застосування квантатехнологія мікрохвильової фотоніки

Виявлення слабкого сигналу
Одним із найбільш перспективних застосувань технології квантової мікрохвильової фотоніки є виявлення надзвичайно слабких мікрохвильових/радіочастотних сигналів. Використовуючи детекцію одного фотона, ці системи набагато чутливіші, ніж традиційні методи. Наприклад, дослідники продемонстрували квантову мікрохвильову фотонну систему, яка може виявляти сигнали на рівні -112,8 дБм без будь-якого електронного посилення. Ця надвисока чутливість робить його ідеальним для таких програм, як зв’язок у глибокому космосі.

Мікрохвильова фотонікаобробка сигналу
Квантова мікрохвильова фотоніка також реалізує функції обробки сигналу з високою смугою пропускання, такі як фазовий зсув і фільтрація. Використовуючи дисперсійний оптичний елемент і регулюючи довжину хвилі світла, дослідники продемонстрували той факт, що радіочастотна фаза зсувається до 8 ГГц, фільтруючи смугу радіочастот до 8 ГГц. Важливо, що всі ці функції досягаються за допомогою електроніки 3 ГГц, яка показує, що продуктивність перевищує традиційні обмеження пропускної здатності

Нелокальне відображення частоти та часу
Однією цікавою можливістю квантової заплутаності є відображення нелокальної частоти в часі. Ця техніка може відобразити спектр однофотонного джерела безперервної хвилі з накачуванням у часову область у віддаленому місці. Система використовує заплутані фотонні пари, в яких один промінь проходить через спектральний фільтр, а інший – через дисперсійний елемент. Через частотну залежність заплутаних фотонів режим спектральної фільтрації відображається нелокально в часовій області.
Рисунок 1 ілюструє цю концепцію:

Цей метод дозволяє досягти гнучкого спектрального вимірювання без безпосереднього маніпулювання вимірюваним джерелом світла.

Стиснене зондування
Квантовамікрохвильова оптичнатехнологія також надає новий метод для стиснутого зондування широкосмугових сигналів. Використовуючи випадковість, притаманну квантовому виявленню, дослідники продемонстрували систему квантового стиснення датчиків, здатну відновлювати10 ГГц РЧспектри. Система модулює радіочастотний сигнал до стану поляризації когерентного фотона. Тоді детектування одного фотона забезпечує природну матрицю випадкових вимірювань для стисненого зондування. Таким чином, широкосмуговий сигнал може бути відновлений на частоті дискретизації Ярніквіста.

Квантовий розподіл ключів
На додаток до вдосконалення традиційних мікрохвильових фотонних застосувань, квантова технологія також може покращити квантові системи зв’язку, такі як квантовий розподіл ключів (QKD). Дослідники продемонстрували мультиплексний квантовий розподіл піднесучих (SCM-QKD) шляхом мультиплексування піднесучої мікрохвильових фотонів у систему квантового розподілу ключів (QKD). Це дозволяє передавати кілька незалежних квантових ключів на одній довжині хвилі світла, тим самим підвищуючи спектральну ефективність.
На малюнку 2 показано концепцію та експериментальні результати системи SCM-QKD з подвійною несучою:

Хоча технологія квантової мікрохвильової фотоніки є багатообіцяючою, все ще існують деякі проблеми:
1. Обмежена можливість роботи в реальному часі: поточна система вимагає багато часу накопичення для реконструкції сигналу.
2. Труднощі роботи з пакетними/окремими сигналами: статистичний характер реконструкції обмежує її застосування до неповторюваних сигналів.
3. Перетворення на реальну мікрохвильову форму: потрібні додаткові кроки для перетворення реконструйованої гістограми на придатну для використання форму сигналу.
4. Характеристики пристрою. Потрібне подальше вивчення поведінки квантових і мікрохвильових фотонних пристроїв у комбінованих системах.
5. Інтеграція: більшість сучасних систем використовують громіздкі дискретні компоненти.

Для вирішення цих проблем і розвитку галузі з’являється ряд перспективних напрямків досліджень:
1. Розробити нові методи обробки сигналів у реальному часі та одиничного виявлення.
2. Дослідіть нові програми, які використовують високу чутливість, наприклад вимірювання рідких мікросфер.
3. Прагніть до реалізації інтегрованих фотонів і електронів, щоб зменшити розмір і складність.
4. Вивчіть розширену взаємодію світло-матерія в інтегрованих квантових мікрохвильових фотонних схемах.
5. Поєднайте технологію квантових мікрохвильових фотонів з іншими новими квантовими технологіями.