Kvanttimikroaaltofotoniikan teknologian soveltaminen

Kvantin soveltaminenmikroaaltofotoniikkatekniikka

Heikon signaalin tunnistus
Yksi lupaavimmista kvanttimikroaaltofotoniikan sovelluksista on erittäin heikkojen mikroaalto-/RF-signaalien havaitseminen. Yksittäisten fotonien havaitsemista hyödyntämällä nämä järjestelmät ovat paljon herkempiä kuin perinteiset menetelmät. Tutkijat ovat esimerkiksi osoittaneet kvanttimikroaaltofotoniikan järjestelmän, joka pystyy havaitsemaan jopa -112,8 dBm:n signaaleja ilman elektronista vahvistusta. Tämä erittäin korkea herkkyys tekee siitä ihanteellisen sovelluksiin, kuten syvän avaruuden tietoliikenteeseen.

Mikroaaltofotoniikkasignaalinkäsittely
Kvanttimikroaaltofotoniikka toteuttaa myös laajakaistaisia ​​signaalinkäsittelytoimintoja, kuten vaihesiirtoa ja suodatusta. Käyttämällä dispersiivistä optista elementtiä ja säätämällä valon aallonpituutta tutkijat osoittivat, että RF-vaihesiirto on jopa 8 GHz:n RF-suodatuskaistanleveydellä jopa 8 GHz:iin asti. Tärkeää on, että kaikki nämä ominaisuudet saavutetaan käyttämällä 3 GHz:n elektroniikkaa, mikä osoittaa, että suorituskyky ylittää perinteiset kaistanleveysrajat.

Ei-paikallinen taajuus-aika-kartoitus
Yksi kvanttilomittumisen mukanaan tuoma mielenkiintoinen ominaisuus on epälokaalin taajuuden kuvaaminen ajan suhteen. Tämä tekniikka voi kuvaaa jatkuvatoimisen pumpatun yksittäisfotonilähteen spektrin aikatasoon etäisessä paikassa. Järjestelmässä käytetään lomittuneisiin fotonipareihin, joissa toinen säde kulkee spektrisuodattimen ja toinen dispersioelementin läpi. Lomittuneisiin fotoneihin kohdistuvan taajuusriippuvuuden vuoksi spektrisuodatustila kuvataan epälokaalisti aikatasoon.
Kuvio 1 havainnollistaa tätä konseptia:

Tämä menetelmä voi saavuttaa joustavan spektrimittauksen ilman, että mitattavaa valonlähdettä manipuloidaan suoraan.

Pakattu tunnistus
Kvanttimikroaalto-optinenteknologia tarjoaa myös uuden menetelmän laajakaistaisten signaalien pakattuun aistimiseen. Kvanttihavainnoinnille ominaisen satunnaisuuden avulla tutkijat ovat osoittaneet kvanttikompressoidun aistijärjestelmän, joka kykenee palauttamaan10 GHz:n radiotaajuusspektrit. Järjestelmä moduloi RF-signaalin koherentin fotonin polarisaatiotilaan. Yksittäisen fotonin havaitseminen tarjoaa sitten luonnollisen satunnaisen mittausmatriisin pakatulle aistimiselle. Tällä tavoin laajakaistainen signaali voidaan palauttaa Yarnyquist-näytteenottotaajuudella.

Kvanttiavaimen jakauma
Perinteisten mikroaaltofotoniikan sovellusten tehostamisen lisäksi kvanttiteknologia voi myös parantaa kvanttikommunikaatiojärjestelmiä, kuten kvanttiavainjakaumaa (QKD). Tutkijat demonstroivat alikantoaallon multipleksoitua kvanttiavainjakaumaa (SCM-QKD) multipleksoimalla mikroaaltofotonien alikantoaaltoa kvanttiavainjakaumajärjestelmälle (QKD). Tämä mahdollistaa useiden riippumattomien kvanttiavainten lähettämisen yhden valon aallonpituuden yli, mikä lisää spektraalista tehokkuutta.
Kuva 2 esittää kaksoiskantoaaltoisen SCM-QKD-järjestelmän konseptin ja kokeelliset tulokset:

Vaikka kvanttimikroaaltofotoniikan teknologia on lupaava, siihen liittyy edelleen joitakin haasteita:
1. Rajallinen reaaliaikainen ominaisuus: Nykyinen järjestelmä vaatii paljon kertymisaikaa signaalin rekonstruoimiseksi.
2. Purskeiden/yksittäisten signaalien käsittelyn vaikeus: Rekonstruktion tilastollinen luonne rajoittaa sen sovellettavuutta ei-toistuviin signaaleihin.
3. Muunna todelliseksi mikroaaltoaaltomuodoksi: Rekonstruoidun histogrammin muuntaminen käyttökelpoiseksi aaltomuodoksi vaatii lisävaiheita.
4. Laitteen ominaisuudet: Kvantti- ja mikroaaltofotonisten laitteiden käyttäytymistä yhdistetyissä järjestelmissä on tutkittava lisää.
5. Integrointi: Useimmat nykyiset järjestelmät käyttävät tilaa vieviä erilliskomponentteja.

Näiden haasteiden ratkaisemiseksi ja alan edistämiseksi on syntymässä useita lupaavia tutkimussuuntia:
1. Kehittää uusia menetelmiä reaaliaikaiseen signaalinkäsittelyyn ja yksittäisten signaalien havaitsemiseen.
2. Tutki uusia sovelluksia, jotka hyödyntävät suurta herkkyyttä, kuten nestemäisten mikropallojen mittausta.
3. Pyri toteuttamaan integroituneita fotoneja ja elektroneja koon ja monimutkaisuuden pienentämiseksi.
4. Tutki tehostettua valon ja aineen vuorovaikutusta integroiduissa kvanttimikroaaltofotonipiireissä.
5. Yhdistä kvantti-mikroaaltofotoniteknologia muihin kehittyviin kvanttiteknologioihin.