Aplicarea tehnologiei fotonice cu microunde cuantice

Aplicarea cuanticătehnologia fotonicii cu microunde

Detectarea semnalului slab
Una dintre cele mai promițătoare aplicații ale tehnologiei fotonice cu microunde cuantice este detectarea semnalelor de microunde/RF extrem de slabe. Prin utilizarea detectării unui singur foton, aceste sisteme sunt mult mai sensibile decât metodele tradiționale. De exemplu, cercetătorii au demonstrat un sistem fotonic cu microunde cuantice care poate detecta semnale de până la -112,8 dBm fără nicio amplificare electronică. Această sensibilitate ultra-ridicată îl face ideal pentru aplicații precum comunicațiile în spațiul îndepărtat.

Fotonică cu microundeprocesarea semnalelor
Fotonica cuantică cu microunde implementează, de asemenea, funcții de procesare a semnalelor cu lățime de bandă mare, cum ar fi defazajul și filtrarea. Prin utilizarea unui element optic dispersiv și ajustarea lungimii de undă a luminii, cercetătorii au demonstrat faptul că defazajul RF se schimbă până la 8 GHz, filtrând lățimi de bandă RF de până la 8 GHz. Este important de menționat că toate aceste caracteristici sunt obținute folosind electronică de 3 GHz, ceea ce demonstrează că performanța depășește limitele tradiționale de lățime de bandă.

Maparea frecvenței în timp non-locală
O capacitate interesantă adusă de inseparabilitatea cuantică este maparea frecvenței nelocale în timp. Această tehnică poate mapa spectrul unei surse de fotoni unici pompate cu undă continuă într-un domeniu temporal aflat într-o locație îndepărtată. Sistemul utilizează perechi de fotoni inseparabili în care un fascicul trece printr-un filtru spectral, iar celălalt trece printr-un element dispersiv. Datorită dependenței de frecvență a fotonilor inseparabili, modul de filtrare spectrală este mapat nelocal în domeniul temporal.
Figura 1 ilustrează acest concept:

Această metodă poate realiza măsurători spectrale flexibile fără a manipula direct sursa de lumină măsurată.

Detecție comprimată
Cuanticmicrounde opticeO tehnologie oferă, de asemenea, o nouă metodă pentru detectarea comprimată a semnalelor de bandă largă. Folosind caracterul aleatoriu inerent detectării cuantice, cercetătorii au demonstrat un sistem de detectare cuantică comprimată capabil să recuperezeRF de 10 GHzspectre. Sistemul modulează semnalul RF la starea de polarizare a fotonului coerent. Detecția unui singur foton oferă apoi o matrice de măsurare aleatorie naturală pentru detectarea comprimată. În acest fel, semnalul de bandă largă poate fi restaurat la rata de eșantionare Yarnyquist.

Distribuția cheilor cuantice
Pe lângă îmbunătățirea aplicațiilor fotonice tradiționale cu microunde, tehnologia cuantică poate îmbunătăți și sistemele de comunicații cuantice, cum ar fi distribuția cheilor cuantice (QKD). Cercetătorii au demonstrat distribuția cheilor cuantice multiplexate pe subpurtătoare (SCM-QKD) prin multiplexarea subpurtătorilor de fotoni cu microunde pe un sistem de distribuție a cheilor cuantice (QKD). Acest lucru permite transmiterea mai multor chei cuantice independente pe o singură lungime de undă a luminii, crescând astfel eficiența spectrală.
Figura 2 prezintă conceptul și rezultatele experimentale ale sistemului SCM-QKD cu purtător dual:

Deși tehnologia fotonicii cu microunde cuantice este promițătoare, există încă unele provocări:
1. Capacitate limitată în timp real: Sistemul actual necesită mult timp de acumulare pentru a reconstrui semnalul.
2. Dificultăți în gestionarea semnalelor în rafale/single: Natura statistică a reconstrucției limitează aplicabilitatea acesteia la semnale nerepetitive.
3. Conversia la o formă de undă reală de microunde: Sunt necesari pași suplimentari pentru a converti histograma reconstruită într-o formă de undă utilizabilă.
4. Caracteristicile dispozitivului: Sunt necesare studii suplimentare privind comportamentul dispozitivelor fotonice cuantice și cu microunde în sisteme combinate.
5. Integrare: Majoritatea sistemelor de astăzi utilizează componente discrete voluminoase.

Pentru a aborda aceste provocări și a avansa domeniul, apar o serie de direcții de cercetare promițătoare:
1. Dezvoltarea de noi metode pentru procesarea semnalelor în timp real și detectarea singulară.
2. Explorarea de noi aplicații care utilizează o sensibilitate ridicată, cum ar fi măsurarea microsferelor lichide.
3. Urmărirea realizării de fotoni și electroni integrați pentru a reduce dimensiunea și complexitatea.
4. Studierea interacțiunii îmbunătățite lumină-materie în circuite fotonice integrate cu microunde cuantice.
5. Combinarea tehnologiei fotonice cu microunde cuantice cu alte tehnologii cuantice emergente.