Εφαρμογή της τεχνολογίας φωτονικής κβαντικής μικροκυματικής

Εφαρμογή του κβαντικούτεχνολογία φωτονικής μικροκυμάτων

Ανίχνευση αδύναμου σήματος
Μία από τις πιο πολλά υποσχόμενες εφαρμογές της τεχνολογίας φωτονικής κβαντικής μικροκυματικής είναι η ανίχνευση εξαιρετικά αδύναμων σημάτων μικροκυμάτων/RF. Χρησιμοποιώντας την ανίχνευση ενός φωτονίου, αυτά τα συστήματα είναι πολύ πιο ευαίσθητα από τις παραδοσιακές μεθόδους. Για παράδειγμα, οι ερευνητές έχουν επιδείξει ένα κβαντικό φωτονικό σύστημα μικροκυμάτων που μπορεί να ανιχνεύσει σήματα τόσο χαμηλά όσο -112,8 dBm χωρίς καμία ηλεκτρονική ενίσχυση. Αυτή η εξαιρετικά υψηλή ευαισθησία το καθιστά ιδανικό για εφαρμογές όπως οι επικοινωνίες στο βάθος.

Φωτονική μικροκυμάτωνεπεξεργασία σήματος
Η κβαντική φωτονική μικροκυμάτων εφαρμόζει επίσης λειτουργίες επεξεργασίας σήματος υψηλού εύρους ζώνης, όπως η μετατόπιση φάσης και το φιλτράρισμα. Χρησιμοποιώντας ένα οπτικό στοιχείο διασποράς και προσαρμόζοντας το μήκος κύματος του φωτός, οι ερευνητές απέδειξαν το γεγονός ότι η φάση RF μετατοπίζει έως και 8 GHz εύρη ζώνης φιλτραρίσματος 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 αντιστοίχιση συχνότητας σε χρόνο
Μια ενδιαφέρουσα ικανότητα που προκαλείται από την κβαντική εμπλοκή είναι η χαρτογράφηση της μη τοπικής συχνότητας στο χρόνο. Αυτή η τεχνική μπορεί να χαρτογραφήσει το φάσμα μιας πηγής ενός φωτονίου αντλούμενης συνεχούς κύματος σε ένα πεδίο χρόνου σε μια απομακρυσμένη τοποθεσία. Το σύστημα χρησιμοποιεί μπερδεμένα ζεύγη φωτονίων στα οποία η μία δέσμη διέρχεται από ένα φασματικό φίλτρο και η άλλη από ένα στοιχείο διασποράς. Λόγω της εξάρτησης από τη συχνότητα των εμπλεκόμενων φωτονίων, η λειτουργία φασματικού φιλτραρίσματος αντιστοιχίζεται μη τοπικά στο πεδίο του χρόνου.
Το Σχήμα 1 απεικονίζει αυτήν την έννοια:

Αυτή η μέθοδος μπορεί να επιτύχει ευέλικτη φασματική μέτρηση χωρίς άμεσο χειρισμό της μετρούμενης πηγής φωτός.

Συμπιεσμένη αίσθηση
Ποσοστόοπτικό φούρνο μικροκυμάτωνΗ τεχνολογία παρέχει επίσης μια νέα μέθοδο για συμπιεσμένη αίσθηση ευρυζωνικών σημάτων. Χρησιμοποιώντας την τυχαιότητα που είναι εγγενής στην κβαντική ανίχνευση, οι ερευνητές απέδειξαν ένα κβαντικό συμπιεσμένο αισθητήριο σύστημα ικανό να ανακτήσει10 GHz RFφάσματα. Το σύστημα διαμορφώνει το σήμα RF στην κατάσταση πόλωσης του συνεκτικού φωτονίου. Η ανίχνευση ενός φωτονίου παρέχει στη συνέχεια μια φυσική μήτρα τυχαίας μέτρησης για συμπιεσμένη ανίχνευση. Με αυτόν τον τρόπο, το ευρυζωνικό σήμα μπορεί να αποκατασταθεί με το ρυθμό δειγματοληψίας Yarnyquist.

Κατανομή κβαντικού κλειδιού
Εκτός από την ενίσχυση των παραδοσιακών φωτονικών εφαρμογών μικροκυμάτων, η κβαντική τεχνολογία μπορεί επίσης να βελτιώσει τα συστήματα κβαντικής επικοινωνίας όπως η διανομή κβαντικών κλειδιών (QKD). Οι ερευνητές κατέδειξαν πολλαπλή κατανομή κβαντικού κλειδιού υποφορέα (SCM-QKD) πολυπλεξώντας τον υποφορέα φωτονίων μικροκυμάτων σε ένα σύστημα διανομής κβαντικού 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 διπλού φορέα SCM-QKD:

Αν και η τεχνολογία φωτονικής κβαντικής μικροκυματικής είναι πολλά υποσχόμενη, εξακολουθούν να υπάρχουν ορισμένες προκλήσεις:
1. Περιορισμένη δυνατότητα πραγματικού χρόνου: Το τρέχον σύστημα απαιτεί πολύ χρόνο συσσώρευσης για την ανακατασκευή του σήματος.
2. Δυσκολία αντιμετώπισης ριπών/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 ιστόγραμμα σε μια χρησιμοποιήσιμη κυματομορφή.
4. Χαρακτηριστικά συσκευής: Απαιτείται περαιτέρω μελέτη της συμπεριφοράς των κβαντικών και μικροκυματικών φωτονικών συσκευών σε συνδυασμένα συστήματα.
5. Ενοποίηση: Τα περισσότερα συστήματα σήμερα χρησιμοποιούν ογκώδη διακριτά στοιχεία.

Για να αντιμετωπιστούν αυτές οι προκλήσεις και να προωθηθεί το πεδίο, αναδύονται μια σειρά από πολλά υποσχόμενες ερευνητικές κατευθύνσεις:
1. Ανάπτυξη νέων μεθόδων για επεξεργασία σήματος σε πραγματικό χρόνο και μεμονωμένη ανίχνευση.
2. Εξερευνήστε νέες εφαρμογές που χρησιμοποιούν υψηλή ευαισθησία, όπως η μέτρηση μικροσφαιρών υγρού.
3. Επιδίωξη της υλοποίησης ολοκληρωμένων φωτονίων και ηλεκτρονίων για μείωση του μεγέθους και της πολυπλοκότητας.
4. Μελετήστε την ενισχυμένη αλληλεπίδραση φωτός-ύλης σε ολοκληρωμένα φωτονικά κυκλώματα κβαντικών μικροκυμάτων.
5. Συνδυάστε την τεχνολογία κβαντικών μικροκυμάτων φωτονίων με άλλες αναδυόμενες κβαντικές τεχνολογίες.