Anvendelse av kvantemikrobølgefotonikkteknologi

Anvendelse av kvantemikrobølgefotonikkteknologi

Deteksjon av svakt signal
En av de mest lovende bruksområdene for kvantemikrobølgefotonikkteknologi er deteksjon av ekstremt svake mikrobølge-/RF-signaler. Ved å bruke enkeltfotondeteksjon er disse systemene langt mer følsomme enn tradisjonelle metoder. Forskerne har for eksempel demonstrert et kvantemikrobølgefotonisk system som kan oppdage signaler så lave som -112,8 dBm uten elektronisk forsterkning. Denne ultrahøye følsomheten gjør det ideelt for bruksområder som kommunikasjon i verdensrommet.

Mikrobølgefotonikksignalbehandling
Kvantemikrobølgefotonikk implementerer også signalbehandlingsfunksjoner med høy båndbredde, som faseforskyvning og filtrering. Ved å bruke et dispersivt optisk element og justere lysets bølgelengde, demonstrerte forskerne at RF-faseforskyvninger opp til 8 GHz og RF-filtreringsbåndbredder opp til 8 GHz. Det er viktig å merke seg at alle disse funksjonene oppnås ved hjelp av 3 GHz-elektronikk, noe som viser at ytelsen overgår tradisjonelle båndbreddegrenser.

Ikke-lokal frekvens-til-tid-kartlegging
En interessant mulighet som kvantesammenfiltring gir, er kartleggingen av ikke-lokal frekvens til tid. Denne teknikken kan kartlegge spekteret til en kontinuerlig bølgepumpet enkeltfotonkilde til et tidsdomene på et fjerntliggende sted. Systemet bruker sammenfiltrede fotonpar der den ene strålen passerer gjennom et spektralfilter og den andre passerer gjennom et dispersivt element. På grunn av frekvensavhengigheten til sammenfiltrede fotoner, kartlegges den spektrale filtreringsmodusen ikke-lokalt til tidsdomenet.
Figur 1 illustrerer dette konseptet:

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

Komprimert sensing
KvantemikrobølgeoptiskTeknologien gir også en ny metode for komprimert registrering av bredbåndssignaler. Ved å bruke tilfeldigheten som er iboende i kvantedeteksjon, har forskere demonstrert et kvantekomprimert registreringssystem 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 med Yarnyquist-samplingsfrekvensen.

Kvante nøkkelfordeling
I tillegg til å forbedre tradisjonelle mikrobølgefotoniske applikasjoner, kan kvanteteknologi også forbedre kvantekommunikasjonssystemer som kvante-nøkkeldistribusjon (QKD). Forskerne demonstrerte subcarrier multiplex quantum key distribution (SCM-QKD) ved å multiplekse mikrobølgefotoner som subcarrier over på et kvante-nøkkeldistribusjonssystem (QKD). Dette gjør at flere uavhengige kvante-nøkler kan overføres over en enkelt lysbølgelengde, og dermed øke spektraleffektiviteten.
Figur 2 viser konseptet og de eksperimentelle resultatene til SCM-QKD-systemet med to bærere:

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: Rekonstruksjonens statistiske natur begrenser dens anvendelighet på ikke-repeterende signaler.
3. Konverter til en ekte mikrobølgebølgeform: Ytterligere trinn er nødvendige for å konvertere det rekonstruerte histogrammet til en brukbar bølgeform.
4. Enhetsegenskaper: Det er behov for videre studier av oppførselen til kvante- og mikrobølgefotoniske enheter i kombinerte systemer.
5. Integrasjon: De fleste systemer i dag bruker store, separate komponenter.

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