Anvendelse av kvantemikrobølgefotonikteknologi

Anvendelse av kvantemikrobølgefotonikkteknologi

Deteksjon av svakt signal
En av de mest lovende anvendelsene av kvantemikrobølgefotonikteknologi er deteksjon av ekstremt svake mikrobølge-/RF-signaler. Ved å bruke enkeltfotondeteksjon er disse systemene langt mer følsomme enn tradisjonelle metoder. For eksempel har forskerne demonstrert et kvantemikrobølgefotonisk system som kan oppdage signaler så lave som -112,8 dBm uten noen elektronisk forsterkning. Denne ultrahøye følsomheten gjør den ideell for applikasjoner som kommunikasjon i dype rom.

Mikrobølgefotonikksignalbehandling
Kvantemikrobølgefotonikk implementerer også signalbehandlingsfunksjoner med høy båndbredde som faseforskyvning og filtrering. Ved å bruke et dispersivt optisk element og justere bølgelengden til lys, demonstrerte forskerne det faktum at RF-faseskifter opp til 8 GHz RF-filtreringsbåndbredder opp til 8 GHz. Viktigere er at alle disse funksjonene oppnås ved hjelp av 3 GHz elektronikk, som viser at ytelsen overskrider tradisjonelle båndbreddegrenser

Ikke-lokal frekvens til tidskartlegging
En interessant evne forårsaket av kvantesammenfiltring er kartlegging av ikke-lokal frekvens til tid. Denne teknikken kan kartlegge spekteret til en kontinuerlig bølgepumpet enkeltfotonkilde til et tidsdomene på et avsidesliggende sted. Systemet bruker sammenfiltrede fotonpar der en stråle passerer gjennom et spektralfilter og den andre passerer gjennom et dispersivt element. På grunn av frekvensavhengigheten til sammenfiltrede fotoner, blir spektralfiltreringsmodusen kartlagt ikke-lokalt til tidsdomenet.
Figur 1 illustrerer dette konseptet:

Denne metoden kan oppnå fleksibel spektral måling uten å direkte manipulere den målte lyskilden.

Komprimert sensing
Kvantemikrobølge optiskteknologi gir også en ny metode for komprimert sensing av bredbåndssignaler. Ved å bruke tilfeldigheten som er iboende i kvantedeteksjon, har forskere demonstrert et kvantekomprimert sensorsystem som er i stand til å gjenopprette10 GHz RFspektre. Systemet modulerer RF-signalet til polarisasjonstilstanden til det koherente fotonet. Enkeltfotondeteksjon gir deretter en naturlig tilfeldig målematrise for komprimert sensing. På denne måten kan bredbåndssignalet gjenopprettes ved Yarnyquists samplingshastighet.

Kvantenøkkeldistribusjon
I tillegg til å forbedre tradisjonelle mikrobølgefotoniske applikasjoner, kan kvanteteknologi også forbedre kvantekommunikasjonssystemer som kvantenøkkeldistribusjon (QKD). Forskerne demonstrerte subcarrier multiplex quantum key distribution (SCM-QKD) ved å multiplekse mikrobølge fotoner subcarrier på et kvantenøkkel distribusjon (QKD) system. Dette gjør at flere uavhengige kvantenøkler kan overføres over en enkelt bølgelengde av lys, og øker dermed spektral effektivitet.
Figur 2 viser konseptet og de eksperimentelle resultatene av dual-carrier SCM-QKD-systemet:

Selv om kvantemikrobølgefotonikkteknologi er lovende, er det fortsatt noen utfordringer:
1. Begrenset sanntidskapasitet: Det nåværende systemet krever mye akkumuleringstid for å rekonstruere signalet.
2. Vanskeligheter med å håndtere burst/enkeltsignaler: Den statistiske karakteren til rekonstruksjonen begrenser dens anvendelighet for ikke-repeterende signaler.
3. Konverter til en ekte mikrobølgeform: Ytterligere trinn kreves for å konvertere det rekonstruerte histogrammet til en brukbar bølgeform.
4. Enhetsegenskaper: Ytterligere studier av oppførselen til kvante- og mikrobølgefotoniske enheter i kombinerte systemer er nødvendig.
5. Integrasjon: De fleste systemer i dag bruker voluminøse diskrete komponenter.

For å møte disse utfordringene og fremme feltet, dukker det opp en rekke lovende forskningsretninger:
1. Utvikle nye metoder for sanntidssignalbehandling og enkeltdeteksjon.
2. Utforsk nye applikasjoner som bruker høy følsomhet, for eksempel flytende mikrosfæremåling.
3. Forfølge realiseringen av integrerte fotoner og elektroner for å redusere størrelse og kompleksitet.
4. Studer den forbedrede lys-materie-interaksjonen i integrerte kvantemikrobølgefotoniske kretser.
5. Kombiner kvantemikrobølgefotonteknologi med andre nye kvanteteknologier.