Aplikace technologie kvantové mikrovlnné fotoniky

Aplikace kvantovétechnologie mikrovlnné fotoniky

Detekce slabého signálu
Jednou z nejslibnějších aplikací kvantové mikrovlnné fotonické technologie je detekce extrémně slabých mikrovlnných/RF signálů. Díky využití detekce jednotlivých fotonů jsou tyto systémy mnohem citlivější než tradiční metody. Vědci například demonstrovali kvantový mikrovlnný fotonický systém, který dokáže detekovat signály až -112,8 dBm bez jakéhokoli elektronického zesílení. Tato ultravysoká citlivost ho činí ideálním pro aplikace, jako je komunikace v hlubokém vesmíru.

Mikrovlnná fotonikazpracování signálu
Kvantová mikrovlnná fotonika také implementuje funkce zpracování signálu s vysokou šířkou pásma, jako je fázový posun a filtrování. Použitím disperzního optického prvku a úpravou vlnové délky světla vědci prokázali skutečnost, že vysokofrekvenční fázový posun se pohybuje až do 8 GHz a vysokofrekvenční filtrování se pohybuje až do 8 GHz. Důležité je, že všech těchto vlastností je dosaženo použitím 3 GHz elektroniky, což ukazuje, že výkon překračuje tradiční limity šířky pásma.

Mapování nelokální frekvence na čas
Jednou zajímavou schopností, kterou přináší kvantové provázání, je mapování nelokální frekvence na čas. Tato technika dokáže mapovat spektrum zdroje jednotlivých fotonů buzených kontinuální vlnou do časové domény na vzdáleném místě. Systém využívá provázané páry fotonů, ve kterých jeden paprsek prochází spektrálním filtrem a druhý prochází disperzním prvkem. Vzhledem k frekvenční závislosti provázaných fotonů je režim spektrálního filtrování mapován nelokálně na časovou doménu.
Obrázek 1 ilustruje tento koncept:

Tato metoda umožňuje flexibilní spektrální měření bez přímé manipulace s měřeným světelným zdrojem.

Komprimované snímání
Kvantovémikrovlnná optickáTechnologie také poskytuje novou metodu pro komprimované snímání širokopásmových signálů. Využitím náhodnosti, která je vlastní kvantové detekci, vědci demonstrovali kvantový komprimovaný snímací systém schopný obnovit10 GHz rádiová frekvencespektra. Systém moduluje RF signál do polarizačního stavu koherentního fotonu. Detekce jednotlivých fotonů pak poskytuje přirozenou náhodnou matici měření pro komprimované snímání. Tímto způsobem lze obnovit širokopásmový signál s Yarnyquistovou vzorkovací frekvencí.

Kvantová distribuce klíčů
Kromě vylepšení tradičních aplikací mikrovlnné fotoniky může kvantová technologie také zlepšit kvantové komunikační systémy, jako je kvantová distribuce klíčů (QKD). Výzkumníci demonstrovali multiplexní kvantovou distribuci klíčů s subnosnou (SCM-QKD) multiplexováním subnosné mikrovlnných fotonů na systém kvantové distribuce klíčů (QKD). To umožňuje přenos více nezávislých kvantových klíčů na jedné vlnové délce světla, čímž se zvyšuje spektrální účinnost.
Obrázek 2 ukazuje koncept a experimentální výsledky systému SCM-QKD s dvojitým nosičem:

Přestože je technologie kvantové mikrovlnné fotoniky slibná, stále existují určité výzvy:
1. Omezené možnosti v reálném čase: Současný systém vyžaduje pro rekonstrukci signálu hodně času na akumulaci.
2. Obtíže s řešením jednotlivých/dávkových signálů: Statistická povaha rekonstrukce omezuje její použitelnost na neopakující se signály.
3. Převod na skutečný mikrovlnný průběh: Pro převod rekonstruovaného histogramu na použitelný průběh jsou nutné další kroky.
4. Charakteristiky zařízení: Je zapotřebí dalšího studia chování kvantových a mikrovlnných fotonických zařízení v kombinovaných systémech.
5. Integrace: Většina dnešních systémů používá objemné samostatné komponenty.

Pro řešení těchto výzev a pokrok v oboru se objevuje řada slibných výzkumných směrů:
1. Vyvinout nové metody pro zpracování signálů v reálném čase a detekci jednotlivých signálů.
2. Prozkoumat nové aplikace využívající vysokou citlivost, jako je například měření kapalných mikrokuliček.
3. Usilovat o realizaci integrovaných fotonů a elektronů za účelem snížení velikosti a složitosti.
4. Studujte zesílenou interakci světla a hmoty v integrovaných kvantových mikrovlnných fotonických obvodech.
5. Kombinovat kvantovou mikrovlnnou fotonovou technologii s dalšími nově vznikajícími kvantovými technologiemi.