Применение технологии квантовой микроволновой фотоники

Применение квантовоймикроволновая фотонная технология

Обнаружение слабого сигнала
Одним из наиболее перспективных применений технологии квантовой микроволновой фотоники является обнаружение чрезвычайно слабых микроволновых/РЧ-сигналов. Используя обнаружение одиночных фотонов, эти системы гораздо более чувствительны, чем традиционные методы. Например, исследователи продемонстрировали квантовую микроволновую фотонную систему, которая может обнаруживать сигналы до -112,8 дБм без какого-либо электронного усиления. Эта сверхвысокая чувствительность делает ее идеальной для таких приложений, как связь в глубоком космосе.

Микроволновая фотоникаобработка сигнала
Квантовая микроволновая фотоника также реализует функции обработки сигналов с высокой пропускной способностью, такие как фазовый сдвиг и фильтрация. Используя дисперсионный оптический элемент и регулируя длину волны света, исследователи продемонстрировали тот факт, что фазовые сдвиги RF до 8 ГГц фильтруют полосы пропускания RF до 8 ГГц. Важно, что все эти функции достигаются с использованием электроники 3 ГГц, что показывает, что производительность превышает традиционные ограничения полосы пропускания

Нелокальное отображение частоты во времени
Одной из интересных возможностей, предоставляемых квантовой запутанностью, является отображение нелокальной частоты во времени. Эта техника может отображать спектр источника однофотонного излучения с непрерывной накачкой во временную область в удаленном месте. Система использует запутанные пары фотонов, в которых один луч проходит через спектральный фильтр, а другой — через дисперсионный элемент. Из-за частотной зависимости запутанных фотонов режим спектральной фильтрации отображается нелокально во временную область.
Рисунок 1 иллюстрирует эту концепцию:

Этот метод позволяет добиться гибкого спектрального измерения без непосредственного манипулирования измеряемым источником света.

Сжатое зондирование
Квантовыймикроволновый оптическийТехнология также обеспечивает новый метод сжатого зондирования широкополосных сигналов. Используя случайность, присущую квантовому обнаружению, исследователи продемонстрировали квантовую сжатую систему зондирования, способную восстанавливать10 ГГц РЧСпектры. Система модулирует радиочастотный сигнал до состояния поляризации когерентного фотона. Затем обнаружение одиночных фотонов обеспечивает естественную случайную матрицу измерений для сжатого зондирования. Таким образом, широкополосный сигнал может быть восстановлен с частотой дискретизации Ярниквиста.

Квантовое распределение ключей
Помимо улучшения традиционных микроволновых фотонных приложений, квантовая технология может также улучшить квантовые системы связи, такие как квантовое распределение ключей (QKD). Исследователи продемонстрировали мультиплексное квантовое распределение ключей поднесущей (SCM-QKD) путем мультиплексирования микроволновых фотонов поднесущей в систему квантового распределения ключей (QKD). Это позволяет передавать несколько независимых квантовых ключей по одной длине волны света, тем самым увеличивая спектральную эффективность.
На рисунке 2 показана концепция и экспериментальные результаты двухканальной системы SCM-QKD:

Хотя технология квантовой микроволновой фотоники является многообещающей, все еще существуют некоторые проблемы:
1. Ограниченные возможности работы в реальном времени: существующей системе требуется много времени накопления для восстановления сигнала.
2. Сложность работы с пакетными/одиночными сигналами: статистический характер реконструкции ограничивает ее применимость к неповторяющимся сигналам.
3. Преобразование в реальную форму микроволнового сигнала: для преобразования восстановленной гистограммы в пригодную для использования форму сигнала требуются дополнительные шаги.
4. Характеристики устройств: необходимо дальнейшее изучение поведения квантовых и микроволновых фотонных устройств в комбинированных системах.
5. Интеграция: большинство современных систем используют громоздкие дискретные компоненты.

Для решения этих проблем и развития данной области появляется ряд перспективных направлений исследований:
1. Разработать новые методы обработки сигналов в реальном времени и обнаружения отдельных сигналов.
2. Изучите новые приложения, использующие высокую чувствительность, такие как измерение жидких микросфер.
3. Добиваться реализации интегрированных фотонов и электронов для уменьшения размера и сложности.
4. Изучение улучшенного взаимодействия света и вещества в интегрированных квантовых микроволновых фотонных схемах.
5. Объединить технологию квантовых микроволновых фотонов с другими новыми квантовыми технологиями.