Tillämpning av kvantmikrovågsfotonikteknik

Tillämpning av kvantummikrovågsfotonikteknik

Svag signaldetektering
En av de mest lovande tillämpningarna av kvantmikrovågsfotonikteknik är detektion av extremt svaga mikrovågs-/RF-signaler. Genom att använda enstaka fotondetektion är dessa system mycket känsligare än traditionella metoder. Forskarna har till exempel demonstrerat ett kvantmikrovågsfotoniskt system som kan detektera signaler så låga som -112,8 dBm utan någon elektronisk förstärkning. Denna ultrahöga känslighet gör det idealiskt för tillämpningar som rymdkommunikation.

Mikrovågsfotoniksignalbehandling
Kvantmikrovågsfotonik implementerar även signalbehandlingsfunktioner med hög bandbredd, såsom fasförskjutning och filtrering. Genom att använda ett dispersivt optiskt element och justera ljusets våglängd visade forskarna att RF-fasförskjutningar upp till 8 GHz och RF-filtreringsbandbredder upp till 8 GHz. Viktigt är att dessa funktioner alla uppnås med hjälp av 3 GHz-elektronik, vilket visar att prestandan överstiger traditionella bandbreddsgränser.

Icke-lokal frekvens-till-tid-mappning
En intressant funktion som kvantsammanflätning medför är mappningen av icke-lokal frekvens till tid. Denna teknik kan mappa spektrumet av en kontinuerligt vågpumpad enfotonkälla till en tidsdomän på en avlägsen plats. Systemet använder sammanflätade fotonpar där en stråle passerar genom ett spektralfilter och den andra passerar genom ett dispersivt element. På grund av frekvensberoendet hos sammanflätade fotoner mappas det spektrala filtreringsläget icke-lokalt till tidsdomänen.
Figur 1 illustrerar detta koncept:

Denna metod kan uppnå flexibel spektralmätning utan att direkt manipulera den uppmätta ljuskällan.

Komprimerad avkänning
KvantmikrovågsoptiskTekniken erbjuder också en ny metod för komprimerad avkänning av bredbandssignaler. Med hjälp av den slumpmässighet som är inneboende i kvantdetektering har forskare demonstrerat ett kvantkomprimerat avkänningssystem som kan återställa10 GHz RFspektra. Systemet modulerar RF-signalen till polarisationstillståndet för den koherenta fotonen. Enkelfotondetektion ger sedan en naturlig slumpmässig mätmatris för komprimerad avkänning. På detta sätt kan bredbandssignalen återställas med Yarnyquist-samplingsfrekvensen.

Kvantnyckeldistribution
Förutom att förbättra traditionella mikrovågsfotoniska tillämpningar kan kvantteknologi också förbättra kvantkommunikationssystem såsom kvantnyckeldistribution (QKD). Forskarna demonstrerade multiplex kvantnyckeldistribution med underbärvågor (SCM-QKD) genom att multiplexera mikrovågsfotoners underbärvågor till ett kvantnyckeldistributionssystem (QKD). Detta gör det möjligt att överföra flera oberoende kvantnycklar över en enda ljusvåglängd, vilket ökar spektraleffektiviteten.
Figur 2 visar konceptet och de experimentella resultaten för SCM-QKD-systemet med dubbla bärvågor:

Även om kvantmikrovågsfotonikteknik är lovande finns det fortfarande vissa utmaningar:
1. Begränsad realtidskapacitet: Det nuvarande systemet kräver mycket ackumuleringstid för att rekonstruera signalen.
2. Svårigheter att hantera burst-/enstaka signaler: Rekonstruktionens statistiska natur begränsar dess tillämpbarhet på icke-upprepande signaler.
3. Konvertera till en verklig mikrovågsvågform: Ytterligare steg krävs för att konvertera det rekonstruerade histogrammet till en användbar vågform.
4. Komponentegenskaper: Ytterligare studier av beteendet hos kvant- och mikrovågsfotoniska komponent i kombinerade system behövs.
5. Integration: De flesta system idag använder skrymmande diskreta komponenter.

För att möta dessa utmaningar och utveckla området framträder ett antal lovande forskningsinriktningar:
1. Utveckla nya metoder för realtidssignalbehandling och enskild detektion.
2. Utforska nya tillämpningar som använder hög känslighet, såsom mätning av flytande mikrosfärer.
3. Sträva efter att realiseringen av integrerade fotoner och elektroner för att minska storlek och komplexitet.
4. Studera den förbättrade ljus-materia-interaktionen i integrerade kvantmikrovågsfotoniska kretsar.
5. Kombinera kvantmikrovågsfotonteknik med andra framväxande kvanttekniker.