Εφαρμογή της τεχνολογίας κβαντικής μικροκυματικής φωτονικής

Εφαρμογή της κβαντικήςτεχνολογία μικροκυματικής φωτονικής

Ανίχνευση ασθενούς σήματος
Μία από τις πιο πολλά υποσχόμενες εφαρμογές της τεχνολογίας κβαντικής μικροκυματικής φωτονικής είναι η ανίχνευση εξαιρετικά ασθενών σημάτων μικροκυμάτων/RF. Χρησιμοποιώντας ανίχνευση μεμονωμένων φωτονίων, αυτά τα συστήματα είναι πολύ πιο ευαίσθητα από τις παραδοσιακές μεθόδους. Για παράδειγμα, οι ερευνητές έχουν επιδείξει ένα κβαντικό μικροκυματικό φωτονικό σύστημα που μπορεί να ανιχνεύσει σήματα έως και -112,8 dBm χωρίς καμία ηλεκτρονική ενίσχυση. Αυτή η εξαιρετικά υψηλή ευαισθησία το καθιστά ιδανικό για εφαρμογές όπως οι επικοινωνίες στο βαθύ διάστημα.

Φωτονική μικροκυμάτωνεπεξεργασία σήματος
Η κβαντική μικροκυματική φωτονική εφαρμόζει επίσης λειτουργίες επεξεργασίας σήματος υψηλού εύρους ζώνης, όπως μετατόπιση φάσης και φιλτράρισμα. Χρησιμοποιώντας ένα διασκορπιστικό οπτικό στοιχείο και ρυθμίζοντας το μήκος κύματος του φωτός, οι ερευνητές απέδειξαν το γεγονός ότι οι μετατοπίσεις φάσης RF έως και 8 GHz φιλτράρουν εύρος ζώνης RF έως και 8 GHz. Είναι σημαντικό ότι όλα αυτά τα χαρακτηριστικά επιτυγχάνονται χρησιμοποιώντας ηλεκτρονικά 3 GHz, γεγονός που δείχνει ότι η απόδοση υπερβαίνει τα παραδοσιακά όρια εύρους ζώνης.

Μη τοπική χαρτογράφηση συχνότητας προς χρόνο
Μια ενδιαφέρουσα δυνατότητα που προσφέρει η κβαντική διεμπλοκή είναι η χαρτογράφηση μη τοπικής συχνότητας στον χρόνο. Αυτή η τεχνική μπορεί να χαρτογραφήσει το φάσμα μιας πηγής μονοφωτονίου με συνεχή άντληση κύματος σε ένα χρονικό πεδίο σε μια απομακρυσμένη τοποθεσία. Το σύστημα χρησιμοποιεί ζεύγη διεμπλοκών φωτονίων στα οποία η μία δέσμη διέρχεται από ένα φασματικό φίλτρο και η άλλη διέρχεται από ένα στοιχείο διασποράς. Λόγω της εξάρτησης των διεμπλοκών φωτονίων από τη συχνότητα, η λειτουργία φασματικού φιλτραρίσματος χαρτογραφείται μη τοπικά στο χρονικό πεδίο.
Το Σχήμα 1 απεικονίζει αυτήν την έννοια:

Αυτή η μέθοδος μπορεί να επιτύχει ευέλικτη φασματική μέτρηση χωρίς να χειρίζεται άμεσα την μετρούμενη πηγή φωτός.

Συμπιεσμένη ανίχνευση
Ποσοστόοπτικό μικροκυμάτωνΗ τεχνολογία παρέχει επίσης μια νέα μέθοδο για την συμπιεσμένη ανίχνευση σημάτων ευρείας ζώνης. Χρησιμοποιώντας την τυχαιότητα που ενυπάρχει στην κβαντική ανίχνευση, οι ερευνητές έχουν επιδείξει ένα κβαντικό σύστημα συμπιεσμένης ανίχνευσης ικανό να ανακτήσει10 GHz RFφάσματα. Το σύστημα διαμορφώνει το σήμα RF στην κατάσταση πόλωσης του συνεκτικού φωτονίου. Η ανίχνευση ενός φωτονίου παρέχει στη συνέχεια έναν φυσικό πίνακα τυχαίων μετρήσεων για συμπιεσμένη ανίχνευση. Με αυτόν τον τρόπο, το σήμα ευρείας ζώνης μπορεί να αποκατασταθεί με τον ρυθμό δειγματοληψίας Yarnyquist.

Κατανομή κβαντικού κλειδιού
Εκτός από την ενίσχυση των παραδοσιακών εφαρμογών μικροκυματικής φωτονικής, η κβαντική τεχνολογία μπορεί επίσης να βελτιώσει τα κβαντικά συστήματα επικοινωνίας, όπως η κβαντική κατανομή κλειδιού (QKD). Οι ερευνητές κατέδειξαν την πολυπλεξία της κβαντικής κατανομής κλειδιού υποφορέα (SCM-QKD), πολυπλεξάροντας υποφορέα φωτονίων μικροκυμάτων σε ένα σύστημα κβαντικής κατανομής κλειδιού (QKD). Αυτό επιτρέπει τη μετάδοση πολλαπλών ανεξάρτητων κβαντικών κλειδιών σε ένα μόνο μήκος κύματος φωτός, αυξάνοντας έτσι τη φασματική απόδοση.
Το Σχήμα 2 δείχνει την ιδέα και τα πειραματικά αποτελέσματα του συστήματος SCM-QKD διπλού φορέα:

Αν και η τεχνολογία κβαντικής μικροκυματικής φωτονικής είναι πολλά υποσχόμενη, εξακολουθούν να υπάρχουν ορισμένες προκλήσεις:
1. Περιορισμένη δυνατότητα σε πραγματικό χρόνο: Το τρέχον σύστημα απαιτεί πολύ χρόνο συσσώρευσης για την ανακατασκευή του σήματος.
2. Δυσκολία στην αντιμετώπιση σημάτων ριπής/μεμονωμένων σημάτων: Η στατιστική φύση της ανακατασκευής περιορίζει την εφαρμογή της σε μη επαναλαμβανόμενα σήματα.
3. Μετατροπή σε πραγματική κυματομορφή μικροκυμάτων: Απαιτούνται πρόσθετα βήματα για τη μετατροπή του ανακατασκευασμένου ιστογράμματος σε μια χρησιμοποιήσιμη κυματομορφή.
4. Χαρακτηριστικά συσκευής: Απαιτείται περαιτέρω μελέτη της συμπεριφοράς κβαντικών και μικροκυματικών φωτονικών συσκευών σε συνδυασμένα συστήματα.
5. Ενσωμάτωση: Τα περισσότερα συστήματα σήμερα χρησιμοποιούν ογκώδη διακριτά στοιχεία.

Για την αντιμετώπιση αυτών των προκλήσεων και την προώθηση του τομέα, αναδύονται ορισμένες πολλά υποσχόμενες ερευνητικές κατευθύνσεις:
1. Ανάπτυξη νέων μεθόδων για επεξεργασία σήματος σε πραγματικό χρόνο και μεμονωμένη ανίχνευση.
2. Διερεύνηση νέων εφαρμογών που χρησιμοποιούν υψηλή ευαισθησία, όπως η μέτρηση υγρών μικροσφαιρών.
3. Επιδίωξη της υλοποίησης ολοκληρωμένων φωτονίων και ηλεκτρονίων για τη μείωση του μεγέθους και της πολυπλοκότητας.
4. Μελετήστε την ενισχυμένη αλληλεπίδραση φωτός-ύλης σε ολοκληρωμένα κβαντικά φωτονικά κυκλώματα μικροκυμάτων.
5. Συνδυασμός της τεχνολογίας κβαντικών φωτονίων μικροκυμάτων με άλλες αναδυόμενες κβαντικές τεχνολογίες.