Применение квантовой микроволновой фотоники

Применение квантовой механикимикроволновая фотонная технология

Обнаружение слабого сигнала
Одно из наиболее перспективных применений квантовой микроволновой фотоники — это обнаружение чрезвычайно слабых микроволновых/радиочастотных сигналов. Благодаря использованию детектирования одиночных фотонов, эти системы гораздо более чувствительны, чем традиционные методы. Например, исследователи продемонстрировали квантовую микроволновую фотонную систему, способную обнаруживать сигналы с уровнем чувствительности до -112,8 дБм без какого-либо электронного усиления. Такая сверхвысокая чувствительность делает её идеальной для таких применений, как связь в дальнем космосе.

Микроволновая фотоникаобработка сигналов
Квантовая микроволновая фотоника также реализует функции обработки сигналов с высокой пропускной способностью, такие как сдвиг фазы и фильтрация. Используя дисперсионный оптический элемент и регулируя длину волны света, исследователи продемонстрировали возможность сдвига фазы радиочастотного сигнала до 8 ГГц и полосы пропускания радиочастотной фильтрации до 8 ГГц. Важно отметить, что все эти возможности достигаются с помощью электроники, работающей на частоте 3 ГГц, что показывает, что производительность превосходит традиционные ограничения полосы пропускания.

Нелокальное отображение частоты во времени
Одна из интересных возможностей, обеспечиваемых квантовой запутанностью, — это отображение нелокальной частоты во время. Этот метод позволяет отображать спектр источника одиночных фотонов, возбуждаемого непрерывной волной, во временную область на удаленном расстоянии. 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 проводить гибкие спектральные измерения без непосредственного воздействия на измеряемый источник света.

Сжатое зондирование
Квантовыймикроволновый оптическийЭта технология также предоставляет новый метод сжатого зондирования широкополосных сигналов. Используя случайность, присущую квантовому детектированию, исследователи продемонстрировали квантовую систему сжатого зондирования, способную восстанавливать10 ГГц радиочастотаспектры. Система модулирует радиочастотный сигнал в соответствии с состоянием поляризации когерентного фотона. Затем детектирование одиночного фотона 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, квантовые технологии также могут улучшить системы квантовой связи, такие как квантовое распределение ключей (QKD). Исследователи продемонстрировали субнесущее мультиплексное квантовое распределение ключей (SCM-QKD), мультиплексируя микроволновые фотоны на субнесущую в системе квантового распределения ключей (QKD). Это позволяет передавать несколько независимых квантовых ключей по одной длине волны света, тем самым повышая спектральную эффективность.
На рисунке 2 представлены концепция и экспериментальные результаты двухканальной системы SCM-QKD:

Несмотря на многообещающие перспективы квантовой микроволновой фотоники, остаются некоторые проблемы:
1. Ограниченные возможности работы в реальном времени: существующая система требует значительного времени накопления для восстановления сигнала.
2. Сложности при работе с импульсными/одиночными сигналами: статистический характер реконструкции ограничивает ее применимость к неповторяющимся сигналам.
3. Преобразование в реальную микроволновую форму сигнала: Для преобразования восстановленной гистограммы в пригодную для использования форму сигнала требуются дополнительные шаги.
4. Характеристики устройства: Необходимы дальнейшие исследования поведения квантовых и микроволновых фотонных устройств в комбинированных системах.
5. Интеграция: В большинстве современных систем используются громоздкие дискретные компоненты.

Для решения этих проблем и развития данной области исследований появляется ряд перспективных направлений:
1. Разработать новые методы обработки сигналов в реальном времени и обнаружения отдельных объектов.
2. Изучить новые области применения, использующие высокую чувствительность, например, измерение с помощью жидких микросфер.
3. Необходимо стремиться к созданию интегрированных фотонов и электронов для уменьшения размеров и сложности.
4. Изучение усиленного взаимодействия света и материи в интегрированных квантовых микроволновых фотонных схемах.
5. Объединить квантовую микроволновую фотонную технологию с другими перспективными квантовыми технологиями.