Применение технологии квантовой микроволновой фотоники

Применение квантовойтехнология микроволновой фотоники

Обнаружение слабого сигнала
Одним из наиболее перспективных применений технологии квантовой микроволновой фотоники является обнаружение крайне слабых микроволновых/радиочастотных сигналов. Благодаря использованию метода детектирования одиночных фотонов эти системы значительно более чувствительны, чем традиционные методы. Например, исследователи продемонстрировали квантовую микроволновую фотонную систему, способную обнаруживать сигналы с уровнем до -112,8 дБм без электронного усиления. Эта сверхвысокая чувствительность делает её идеальной 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, что сдвиг фазы радиочастотного сигнала достигает 8 ГГц, обеспечивая полосу пропускания радиочастотной фильтрации до 8 ГГц. Важно отметить, что все эти функции достигаются с помощью электроники с рабочей частотой 3 ГГц, что свидетельствует о превышении традиционных ограничений пропускной способности.

Нелокальное отображение частоты во времени
Одной из интересных возможностей квантовой запутанности является отображение нелокальной частоты во времени. Этот метод позволяет отображать спектр однофотонного источника с непрерывной накачкой во временную область в удалённом 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 во временную область нелокально.
Рисунок 1 иллюстрирует эту концепцию:

Этот метод позволяет осуществлять гибкие спектральные измерения без непосредственного манипулирования измеряемым источником света.

Сжатое зондирование
Квантовыймикроволновый оптическийТехнология также предлагает новый метод сжатого сканирования широкополосных сигналов. Используя случайность, присущую квантовому детектированию, исследователи продемонстрировали систему квантового сжатого сканирования, способную восстанавливать10 ГГц РЧСпектры. Система модулирует радиочастотный сигнал в соответствии с состоянием поляризации когерентного фотона. Детектирование одиночных фотонов обеспечивает естественную случайную матрицу измерений для сжатого зондирования. Таким образом, широкополосный сигнал может быть восстановлен с частотой дискретизации Ярниковиста.

Квантовое распределение ключей
Помимо расширения традиционных микроволновых фотонных приложений, квантовые технологии также могут улучшить квантовые системы связи, такие как квантовое распределение ключей (QKD). Исследователи продемонстрировали технологию квантового распределения ключей с мультиплексированием на поднесущих (SCM-QKD) путём мультиплексирования микроволновых фотонов на поднесущую в систему квантового распределения ключей (QKD). Это позволяет передавать несколько независимых квантовых ключей на одной длине волны света, тем самым повышая спектральную эффективность.
На рисунке 2 показаны концепция и экспериментальные результаты двухканальной системы SCM-QKD:

Несмотря на многообещающие перспективы технологии квантовой микроволновой фотоники, 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 реальный микроволновый сигнал: для преобразования реконструированной гистограммы в пригодный для использования сигнал 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 возникает ряд перспективных направлений исследований:
1. Разработать новые методы обработки сигналов в реальном времени и обнаружения одиночных сигналов.
2. Изучите новые приложения, использующие высокую чувствительность, например, измерение жидких микросфер.
3. Добиться реализации интегрированных фотонов и электронов для уменьшения размера и сложности.
4. Изучите усиление взаимодействия света и вещества в интегрированных квантовых микроволновых фотонных схемах.
5. Объединить технологию квантовых микроволновых фотонов с другими развивающимися квантовыми технологиями.