Primjena tehnologije kvantne mikrovalne fotonike

Primjena kvantnogtehnologija mikrovalne fotonike

Detekcija slabog signala
Jedna od najperspektivnijih primjena tehnologije kvantne mikrovalne fotonike je detekcija izuzetno slabih mikrovalnih/RF signala. Korištenjem detekcije pojedinačnih fotona, ovi sistemi su daleko osjetljiviji od tradicionalnih metoda. Na primjer, istraživači su demonstrirali kvantni mikrovalni fotonski sistem koji može detektovati signale niske do -112,8 dBm bez ikakvog elektronskog pojačanja. Ova ultra visoka osjetljivost čini ga idealnim za primjene kao što je komunikacija u dubokom svemiru.

Mikrovalna fotonikaobrada signala
Kvantna mikrovalna fotonika također implementira funkcije obrade signala visoke propusnosti kao što su fazni pomak i filtriranje. Korištenjem disperzivnog optičkog elementa i podešavanjem valne dužine svjetlosti, istraživači su pokazali činjenicu da RF faza pomiče do 8 GHz i filtrira RF propusne opsege do 8 GHz. Važno je napomenuti da su sve ove karakteristike postignute korištenjem elektronike od 3 GHz, što pokazuje da performanse premašuju tradicionalna ograničenja propusnog opsega.

Mapiranje nelokalne frekvencije u vrijeme
Jedna zanimljiva sposobnost koju donosi kvantna isprepletenost je mapiranje nelokalne frekvencije u vrijeme. Ova tehnika može mapirati spektar kontinuirano valno pumpanog jednofotonskog izvora u vremenski domen na udaljenoj lokaciji. Sistem koristi isprepletene parove fotona u kojima jedan snop prolazi kroz spektralni filter, a drugi prolazi kroz disperzivni element. Zbog frekvencijske zavisnosti isprepletenih fotona, način spektralnog filtriranja se nelokalno mapira u vremenski domen.
Slika 1 ilustruje ovaj koncept:

Ovom metodom se može postići fleksibilno spektralno mjerenje bez direktne manipulacije mjerenim izvorom svjetlosti.

Komprimirano očitavanje
Kvantnomikrovalni optičkiTehnologija također pruža novu metodu za komprimirano očitavanje širokopojasnih signala. Koristeći slučajnost svojstvenu kvantnoj detekciji, istraživači su demonstrirali kvantni komprimirani sistem očitavanja sposoban za oporavak10 GHz RFspektri. Sistem modulira RF signal u stanje polarizacije koherentnog fotona. Detekcija pojedinačnih fotona zatim pruža prirodnu matricu slučajnih mjerenja za komprimirano očitavanje. Na taj način, širokopojasni signal se može obnoviti pri Yarnyquistovoj brzini uzorkovanja.

Kvantna distribucija ključeva
Pored poboljšanja tradicionalnih primjena mikrotalasne fotonike, kvantna tehnologija može također poboljšati kvantne komunikacijske sisteme kao što je kvantna distribucija ključeva (QKD). Istraživači su demonstrirali multipleksnu kvantnu distribuciju ključeva podnosioca (SCM-QKD) multipleksiranjem podnosioca mikrotalasnih fotona na sistem kvantne distribucije ključeva (QKD). Ovo omogućava prenos više nezavisnih kvantnih ključeva preko jedne talasne dužine svjetlosti, čime se povećava spektralna efikasnost.
Slika 2 prikazuje koncept i eksperimentalne rezultate SCM-QKD sistema sa dva nosioca:

Iako je tehnologija kvantne mikrovalne fotonike obećavajuća, još uvijek postoje neki izazovi:
1. Ograničene mogućnosti rada u realnom vremenu: Trenutni sistem zahtijeva mnogo vremena akumulacije za rekonstrukciju signala.
2. Teškoće u radu sa burst/single signalima: Statistička priroda rekonstrukcije ograničava njenu primjenjivost na neponavljajuće signale.
3. Konvertovanje u stvarni mikrotalasni oblik: Potrebni su dodatni koraci za pretvaranje rekonstruisanog histograma u upotrebljiv talasni oblik.
4. Karakteristike uređaja: Potrebna su daljnja istraživanja ponašanja kvantnih i mikrovalnih fotonskih uređaja u kombinovanim sistemima.
5. Integracija: Većina sistema danas koristi glomazne diskretne komponente.

Kako bi se riješili ovi izazovi i unaprijedilo područje, pojavljuje se niz obećavajućih istraživačkih pravaca:
1. Razviti nove metode za obradu signala u realnom vremenu i pojedinačnu detekciju.
2. Istražite nove primjene koje koriste visoku osjetljivost, kao što je mjerenje tekućih mikrosfera.
3. Težiti realizaciji integriranih fotona i elektrona kako bi se smanjila veličina i složenost.
4. Proučite pojačanu interakciju svjetlosti i materije u integriranim kvantnim mikrovalnim fotonskim kolima.
5. Kombinujte kvantnu mikrotalasnu fotonsku tehnologiju sa drugim novim kvantnim tehnologijama.