Kvantu mikroviļņu fotonikas tehnoloģijas pielietojums

Kvantu pielietojumsmikroviļņu fotonikas tehnoloģija

Vāja signāla noteikšana
Viens no daudzsološākajiem kvantu mikroviļņu fotonikas tehnoloģijas pielietojumiem ir ārkārtīgi vāju mikroviļņu/RF signālu noteikšana. Izmantojot viena fotona noteikšanu, šīs sistēmas ir daudz jutīgākas nekā tradicionālās metodes. Piemēram, pētnieki ir parādījuši kvantu mikroviļņu fotonisko sistēmu, kas var noteikt signālus līdz -112,8 dBm bez jebkādas elektroniskas pastiprināšanas. Šī īpaši augstā jutība padara to ideāli piemērotu lietojumiem, piemēram, komunikācijai dziļā kosmosā.

Mikroviļņu fotonikasignālu apstrāde
Kvantu mikroviļņu fotonika īsteno arī lielas joslas platuma signālu apstrādes funkcijas, piemēram, fāzes nobīdi un filtrēšanu. Izmantojot izkliedējošu optisko elementu un pielāgojot gaismas viļņa garumu, pētnieki pierādīja faktu, ka RF fāzes nobīdes līdz 8 GHz RF filtrēšanas joslas platumiem līdz 8 GHz. Svarīgi, ka visas šīs funkcijas tiek sasniegtas, izmantojot 3 GHz elektroniku, kas parāda, ka veiktspēja pārsniedz tradicionālos joslas platuma ierobežojumus.

Nelokāla frekvenču un laika kartēšana
Viena interesanta iespēja, ko rada kvantu sapīšanās, ir nelokālās frekvences kartēšana uz laiku. Šis paņēmiens var kartēt nepārtraukta viļņa sūknēta viena fotona avota spektru uz laika domēnu attālā vietā. Sistēma izmanto sapinušies fotonu pāri, kuros viens stars iziet cauri spektrālajam filtram, bet otrs – caur izkliedējošu elementu. Sapinjušos fotonu frekvences atkarības dēļ spektrālās filtrēšanas režīms tiek kartēts nelokāli uz laika domēnu.
1. attēls ilustrē šo koncepciju:

Ar šo metodi var panākt elastīgu spektrālo mērījumu, tieši nemanipulējot ar izmērīto gaismas avotu.

Saspiesta uztveršana
Kvantsmikroviļņu optiskātehnoloģija nodrošina arī jaunu metodi platjoslas signālu saspiestai uztveršanai. Izmantojot kvantu noteikšanai raksturīgo nejaušību, pētnieki ir parādījuši kvantu saspiestu sensoru sistēmu, kas spēj atgūties10 GHz RFspektri. Sistēma modulē RF signālu līdz koherenta fotona polarizācijas stāvoklim. Pēc tam viena fotona noteikšana nodrošina dabisku nejaušu mērījumu matricu saspiestai uztveršanai. Tādā veidā platjoslas signālu var atjaunot ar Yarnyquist paraugu ņemšanas ātrumu.

Kvantu atslēgu sadalījums
Papildus tradicionālo mikroviļņu fotonisko lietojumu uzlabošanai kvantu tehnoloģija var uzlabot arī kvantu komunikācijas sistēmas, piemēram, kvantu atslēgu sadali (QKD). Pētnieki demonstrēja apakšnesēja multipleksu kvantu atslēgu sadalījumu (SCM-QKD), multipleksējot mikroviļņu fotonu apakšnesēju kvantu atslēgu sadales (QKD) sistēmā. Tas ļauj pārraidīt vairākas neatkarīgas kvantu atslēgas vienā gaismas viļņa garumā, tādējādi palielinot spektrālo efektivitāti.
2. attēlā parādīta divu nesēju SCM-QKD sistēmas koncepcija un eksperimentālie rezultāti:

Lai gan kvantu mikroviļņu fotonikas tehnoloģija ir daudzsološa, joprojām pastāv daži izaicinājumi:
1. Ierobežota reāllaika iespēja. Pašreizējai sistēmai ir nepieciešams daudz laika, lai atjaunotu signālu.
2. Grūtības, kas saistītas ar sērijveida/atsevišķiem signāliem: rekonstrukcijas statistiskais raksturs ierobežo tās piemērojamību signāliem, kas neatkārtojas.
3. Konvertēt uz īstu mikroviļņu viļņu formu: ir jāveic papildu darbības, lai rekonstruēto histogrammu pārveidotu par izmantojamu viļņu formu.
4. Ierīces raksturlielumi: ir nepieciešama turpmāka kvantu un mikroviļņu fotonisko ierīču uzvedības izpēte kombinētajās sistēmās.
5. Integrācija. Mūsdienās lielākā daļa sistēmu izmanto apjomīgus atsevišķus komponentus.

Lai risinātu šīs problēmas un virzītu uz priekšu šajā jomā, parādās vairāki daudzsološi pētniecības virzieni:
1. Izstrādāt jaunas metodes reāllaika signālu apstrādei un vienreizējai noteikšanai.
2. Izpētiet jaunas lietojumprogrammas, kurās tiek izmantota augsta jutība, piemēram, šķidruma mikrosfēras mērīšana.
3. Veicināt integrētu fotonu un elektronu realizāciju, lai samazinātu izmēru un sarežģītību.
4. Izpētīt uzlaboto gaismas un vielas mijiedarbību integrētās kvantu mikroviļņu fotoniskās shēmās.
5. Apvienot kvantu mikroviļņu fotonu tehnoloģiju ar citām topošajām kvantu tehnoloģijām.