Применение квантовоготехнология микроволновой фотоники
Обнаружение слабого сигнала
Одним из наиболее многообещающих применений технологии квантовой микроволновой фотоники является обнаружение чрезвычайно слабых микроволновых и радиочастотных сигналов. Благодаря использованию одиночного фотонного обнаружения эти системы гораздо более чувствительны, чем традиционные методы. Например, исследователи продемонстрировали квантовую микроволновую фотонную систему, которая может обнаруживать сигналы уровня -112,8 дБм без какого-либо электронного усиления. Эта сверхвысокая чувствительность делает его идеальным для таких приложений, как связь в дальнем космосе.
Микроволновая фотоникаобработка сигналов
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 фаза радиочастотного сигнала смещается до 8 ГГц, а полоса пропускания радиочастотной фильтрации достигает 8 ГГц. Важно отметить, что все эти функции достигаются с использованием электроники 3 ГГц, что показывает, что производительность превышает традиционные ограничения полосы пропускания.
Нелокальное отображение частоты во времени
Одна интересная возможность, которую дает квантовая запутанность, — это отображение нелокальной частоты во времени. Этот метод может сопоставить спектр однофотонного источника с непрерывной накачкой во временной области в удаленном месте. В системе используются 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 нелокально отображается во временной области.
Рисунок 1 иллюстрирует эту концепцию:
Этот метод позволяет обеспечить гибкое спектральное измерение без непосредственного манипулирования измеряемым источником света.
Сжатое зондирование
Квантовыймикроволновый оптическийТехнология также обеспечивает новый метод сжатого восприятия широкополосных сигналов. Используя случайность, присущую квантовому обнаружению, исследователи продемонстрировали квантовую сжатую сенсорную систему, способную восстанавливать10 ГГц РЧспектры. Система модулирует радиочастотный сигнал до состояния поляризации когерентного фотона. Обнаружение одиночных фотонов затем обеспечивает естественную матрицу случайных измерений для сжатого измерения. Таким образом, широкополосный сигнал может быть восстановлен с частотой дискретизации Ярниквиста.
Квантовое распределение ключей
Помимо улучшения традиционных приложений микроволновой фотоники, квантовая технология также может улучшить системы квантовой связи, такие как квантовое распределение ключей (QKD). Исследователи продемонстрировали мультиплексное распределение квантовых ключей поднесущих (SCM-QKD) путем мультиплексирования поднесущих микроволновых фотонов в систему квантового распределения ключей (QKD). Это позволяет передавать несколько независимых квантовых ключей на одной длине волны света, тем самым увеличивая спектральную эффективность.
На рисунке 2 показаны концепция и экспериментальные результаты системы SCM-QKD с двумя несущими:
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. Трудности с пакетными/одиночными сигналами. Статистический характер реконструкции ограничивает ее применимость к неповторяющимся сигналам.
3. Преобразование в реальный микроволновый сигнал. Для преобразования восстановленной гистограммы в пригодный для использования сигнал необходимы дополнительные шаги.
4. Характеристики устройства. Необходимо дальнейшее изучение поведения квантовых и микроволновых фотонных устройств в комбинированных системах.
5. Интеграция. Сегодня в большинстве систем используются громоздкие дискретные компоненты.
Для решения этих проблем и продвижения в этой области возникает ряд перспективных направлений исследований:
1. Разработка новых методов обработки сигналов в реальном времени и одиночного обнаружения.
2. Изучите новые приложения, использующие высокую чувствительность, такие как измерение жидких микросфер.
3. Добиться реализации интегрированных фотонов и электронов для уменьшения размера и сложности.
4. Изучить усиленное взаимодействие света и материи в интегральных квантовых микроволновых фотонных схемах.
5. Объединить квантовую технологию микроволновых фотонов с другими новыми квантовыми технологиями.
Время публикации: 02 сентября 2024 г.