Застосування технології квантової мікрохвильової фотоніки

Застосування квантовоїтехнологія мікрохвильової фотоніки

Виявлення слабкого сигналу
Одним із найперспективніших застосувань технології квантової мікрохвильової фотоніки є виявлення надзвичайно слабких мікрохвильових/радіочастотних сигналів. Завдяки використанню детектування окремих фотонів ці системи є набагато чутливішими, ніж традиційні методи. Наприклад, дослідники продемонстрували квантову мікрохвильову фотонну систему, яка може виявляти сигнали до -112,8 дБм без будь-якого електронного підсилення. Ця надвисока чутливість робить її ідеальною для таких застосувань, як зв'язок у глибокому космосі.

Мікрохвильова фотонікаобробка сигналів
Квантова мікрохвильова фотоніка також реалізує функції обробки сигналів з високою пропускною здатністю, такі як фазовий зсув та фільтрація. Використовуючи дисперсійний оптичний елемент та регулюючи довжину хвилі світла, дослідники продемонстрували той факт, що радіочастотний фазовий зсув здійснює до 8 ГГц, а радіочастотна фільтрація — до 8 ГГц. Важливо, що всі ці функції досягаються за допомогою електроніки з частотою 3 ГГц, що показує, що продуктивність перевищує традиційні обмеження пропускної здатності.

Нелокальна частотно-часова карта
Одна цікава можливість, що з'являється завдяки квантовому заплутанню, - це відображення нелокальної частоти в часі. Цей метод може відображати спектр однофотонного джерела з безперервним накачуванням у часову область у віддаленому місці. Система використовує заплутані пари фотонів, в яких один промінь проходить через спектральний фільтр, а інший - через дисперсійний елемент. Через частотну залежність заплутаних фотонів, режим спектральної фільтрації нелокально відображається в часову область.
Рисунок 1 ілюструє цю концепцію:

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

Стиснене зондування
Квантовиймікрохвильова оптичнаТехнологія також пропонує новий метод стиснутого зондування широкосмугових сигналів. Використовуючи випадковість, властиву квантовому детектуванню, дослідники продемонстрували квантову систему стиснутого зондування, здатну відновлювати10 ГГц РЧспектри. Система модулює радіочастотний сигнал до стану поляризації когерентного фотона. Детекція окремих фотонів забезпечує природну випадкову матрицю вимірювань для стисненого зондування. Таким чином, широкосмуговий сигнал може бути відновлений з частотою дискретизації Ярніквіста.

Квантовий розподіл ключів
Окрім удосконалення традиційних застосувань мікрохвильової фотоніки, квантова технологія також може покращити системи квантового зв'язку, такі як квантовий розподіл ключів (QKD). Дослідники продемонстрували мультиплексний квантовий розподіл ключів на піднесійних (SCM-QKD) шляхом мультиплексування піднесійних мікрохвильових фотонів на систему квантового розподілу ключів (QKD). Це дозволяє передавати кілька незалежних квантових ключів на одній довжині хвилі світла, тим самим підвищуючи спектральну ефективність.
На рисунку 2 показано концепцію та експериментальні результати двоносійної системи SCM-QKD:

Хоча технологія квантової мікрохвильової фотоніки є перспективною, все ще існують деякі проблеми:
1. Обмежені можливості роботи в режимі реального часу: Поточна система вимагає багато часу накопичення для реконструкції сигналу.
2. Складність обробки пакетних/одиничних сигналів: Статистичний характер реконструкції обмежує її застосовність до неповторюваних сигналів.
3. Перетворення на реальну форму хвилі мікрохвильового випромінювання: Для перетворення реконструйованої гістограми на придатну для використання форму хвилі потрібні додаткові кроки.
4. Характеристики пристроїв: Необхідне подальше вивчення поведінки квантових та мікрохвильових фотонних пристроїв у комбінованих системах.
5. Інтеграція: Більшість сучасних систем використовують громіздкі дискретні компоненти.

Для вирішення цих проблем та розвитку галузі з'являється низка перспективних напрямків досліджень:
1. Розробити нові методи обробки сигналів у реальному часі та одноразового виявлення.
2. Дослідіть нові застосування, що використовують високу чутливість, такі як вимірювання рідких мікросфер.
3. Прагнути реалізації інтегрованих фотонів та електронів для зменшення розміру та складності.
4. Дослідіть посилену взаємодію світла з речовиною в інтегрованих квантових мікрохвильових фотонних схемах.
5. Поєднати квантову мікрохвильову фотонну технологію з іншими новими квантовими технологіями.