Kvanttimikroaaltofotoniikan teknologian soveltaminen

Kvantin soveltaminenmikroaaltofotoniikkatekniikkaa

Heikko signaalin tunnistus
Yksi kvanttimikroaaltofotoniikan lupaavimmista sovelluksista on erittäin heikkojen mikroaalto/RF-signaalien havaitseminen. Käyttämällä yhden fotonin havaitsemista nämä järjestelmät ovat paljon herkempiä kuin perinteiset menetelmät. Esimerkiksi tutkijat ovat osoittaneet kvanttimikroaaltofotonijärjestelmän, joka pystyy havaitsemaan jopa -112,8 dBm:n signaaleja ilman elektronista vahvistusta. Tämä erittäin korkea herkkyys tekee siitä ihanteellisen sovelluksiin, kuten syvän avaruuden viestintään.

Mikroaaltofotoniikkasignaalinkäsittely
Kvanttimikroaaltofotoniikka toteuttaa myös suuren kaistanleveyden signaalinkäsittelytoimintoja, kuten vaiheensiirron ja suodatuksen. Käyttämällä dispergoivaa optista elementtiä ja säätämällä valon aallonpituutta tutkijat osoittivat, että RF-vaihe siirtyy jopa 8 GHz RF-suodatuskaistanleveydille jopa 8 GHz. Tärkeää on, että kaikki nämä ominaisuudet saavutetaan käyttämällä 3 GHz:n elektroniikkaa, mikä osoittaa, että suorituskyky ylittää perinteiset kaistanleveysrajat.

Ei-paikallinen taajuus-aikakartoitus
Eräs mielenkiintoinen kvanttiketkeilyn tuoma ominaisuus on ei-paikallisen taajuuden kartoitus aikaan. Tämä tekniikka voi kartoittaa jatkuvan aallon pumpatun yksifotonilähteen spektrin aikatasoon etäpaikassa. Järjestelmä käyttää kietoutuneita fotonipareja, joissa yksi säde kulkee spektrisuodattimen ja toinen dispersiivisen elementin läpi. Kietoutuneiden fotonien taajuusriippuvuuden vuoksi spektrisuodatustila kartoitetaan ei-paikallisesti aikatasoon.
Kuva 1 havainnollistaa tätä käsitettä:

Tällä menetelmällä voidaan saavuttaa joustava spektrimittaus ilman, että mitattua valonlähdettä suoraan manipuloidaan.

Pakattu tunnistus
Kvanttimikroaaltouuni optinenteknologia tarjoaa myös uuden menetelmän laajakaistasignaalien pakattuun tunnistamiseen. Kvanttitunnistukseen ominaista satunnaisuutta käyttämällä tutkijat ovat osoittaneet kvanttipakatun anturijärjestelmän, joka pystyy palautumaan10 GHz RFspektrit. Järjestelmä moduloi RF-signaalin koherentin fotonin polarisaatiotilaan. Yhden fotonin tunnistus tarjoaa sitten luonnollisen satunnaismittausmatriisin kompressoitua tunnistusta varten. Tällä tavalla laajakaistasignaali voidaan palauttaa Yarnyquistin näytteenottotaajuudella.

Kvanttiavaimen jakelu
Perinteisten mikroaaltofotonisten sovellusten tehostamisen lisäksi kvanttiteknologia voi myös parantaa kvanttiviestintäjärjestelmiä, kuten kvanttiavainten jakelua (QKD). Tutkijat osoittivat apukantoaallon multipleksointikvanttiavainjakauman (SCM-QKD) multipleksoimalla mikroaaltofotonien apukantoaallon kvanttiavaimen jakelujärjestelmään (QKD). Tämä mahdollistaa useiden riippumattomien kvanttiavainten lähettämisen yhden valon aallonpituuden yli, mikä lisää spektrin tehokkuutta.
Kuvassa 2 on esitetty kahden kantoaallon SCM-QKD-järjestelmän konsepti ja kokeelliset tulokset:

Vaikka kvanttimikroaaltofotoniikkatekniikka on lupaavaa, haasteita on edelleen:
1. Rajoitettu reaaliaikainen kapasiteetti: Nykyinen järjestelmä vaatii paljon kertymisaikaa signaalin rekonstruoimiseen.
2. Purskeiden/yksittäisten signaalien käsittelyn vaikeus: Rekonstruoinnin tilastollinen luonne rajoittaa sen sovellettavuutta ei-toistuviin signaaleihin.
3. Muunna todelliseksi mikroaaltomuodoksi: Tarvitaan lisävaiheita rekonstruoidun histogrammin muuttamiseksi käyttökelpoiseksi aaltomuodoksi.
4. Laitteen ominaisuudet: Kvantti- ja mikroaaltofotonilaitteiden käyttäytymistä yhdistetyissä järjestelmissä tarvitaan lisätutkimuksia.
5. Integrointi: Useimmat järjestelmät käyttävät nykyään suuria erillisiä komponentteja.

Näihin haasteisiin vastaamiseksi ja alan edistämiseksi on tulossa useita lupaavia tutkimussuuntia:
1. Kehittää uusia menetelmiä reaaliaikaiseen signaalinkäsittelyyn ja yksittäisen havaitsemiseen.
2. Tutustu uusiin sovelluksiin, jotka hyödyntävät suurta herkkyyttä, kuten nestemäisten mikropallojen mittausta.
3. Jatka integroitujen fotonien ja elektronien toteuttamista koon ja monimutkaisuuden vähentämiseksi.
4. Tutki valo-aineen vuorovaikutusta integroiduissa kvanttimikroaaltofotonipiireissä.
5. Yhdistä kvanttimikroaaltofotonitekniikka muihin nouseviin kvanttitekniikoihin.