Toepassing van kwantummicrogolf-fotonica-technologie
Zwakke signaaldetectie
Een van de meest veelbelovende toepassingen van kwantummicrogolffotonicatechnologie is de detectie van extreem zwakke microgolf-/RF-signalen. Door gebruik te maken van detectie van afzonderlijke fotonen zijn deze systemen veel gevoeliger dan traditionele methoden. De onderzoekers hebben bijvoorbeeld een kwantummicrogolf-fotonisch systeem gedemonstreerd dat signalen tot -112,8 dBm kan detecteren zonder enige elektronische versterking. Deze ultrahoge gevoeligheid maakt het ideaal voor toepassingen zoals deep space-communicatie.
Microgolf fotonicasignaalverwerking
Kwantummicrogolffotonica implementeert ook signaalverwerkingsfuncties met hoge bandbreedte, zoals faseverschuiving en filtering. Door een dispersief optisch element te gebruiken en de golflengte van het licht aan te passen, demonstreerden de onderzoekers het feit dat de RF-fase tot 8 GHz verschuift en bandbreedtes tot 8 GHz filtert. Belangrijk is dat deze functies allemaal worden bereikt met behulp van 3 GHz-elektronica, wat aantoont dat de prestaties de traditionele bandbreedtelimieten overschrijden
Niet-lokale frequentie-naar-tijd mapping
Een interessant vermogen dat door kwantumverstrengeling wordt teweeggebracht, is het in kaart brengen van niet-lokale frequentie in tijd. Deze techniek kan het spectrum van een door continue golf gepompte bron van enkele fotonen in kaart brengen in een tijdsdomein op een afgelegen locatie. Het systeem maakt gebruik van verstrengelde fotonparen waarbij de ene bundel door een spectraal filter gaat en de andere door een verspreidend element. Vanwege de frequentieafhankelijkheid van verstrengelde fotonen wordt de spectrale filtermodus niet-lokaal toegewezen aan het tijdsdomein.
Figuur 1 illustreert dit concept:
Met deze methode kan een flexibele spectrale meting worden bereikt zonder de gemeten lichtbron rechtstreeks te manipuleren.
Gecomprimeerde detectie
Quantummagnetron optischtechnologie biedt ook een nieuwe methode voor gecomprimeerde detectie van breedbandsignalen. Door gebruik te maken van de willekeur die inherent is aan kwantumdetectie hebben onderzoekers een kwantumgecomprimeerd detectiesysteem gedemonstreerd dat in staat is zich te herstellen10 GHz RFspectra. Het systeem moduleert het RF-signaal naar de polarisatietoestand van het coherente foton. Detectie van één foton biedt vervolgens een natuurlijke willekeurige meetmatrix voor gecomprimeerde detectie. Op deze manier kan het breedbandsignaal worden hersteld met de Yarnyquist-bemonsteringssnelheid.
Kwantumsleuteldistributie
Naast het verbeteren van traditionele microgolffotonische toepassingen, kan kwantumtechnologie ook kwantumcommunicatiesystemen zoals kwantumsleuteldistributie (QKD) verbeteren. De onderzoekers demonstreerden subcarrier multiplex quantum key distribution (SCM-QKD) door de subcarrier van microgolffotonen te multiplexen op een quantum key distribution (QKD) systeem. Hierdoor kunnen meerdere onafhankelijke kwantumsleutels worden verzonden over een enkele golflengte van licht, waardoor de spectrale efficiëntie wordt verhoogd.
Figuur 2 toont het concept en de experimentele resultaten van het dual-carrier SCM-QKD-systeem:
Hoewel kwantummicrogolffotonicatechnologie veelbelovend is, zijn er nog steeds enkele uitdagingen:
1. Beperkte real-time mogelijkheden: het huidige systeem vereist veel accumulatietijd om het signaal te reconstrueren.
2. Moeilijkheden bij het omgaan met burst-/enkelvoudige signalen: De statistische aard van de reconstructie beperkt de toepasbaarheid ervan op niet-herhalende signalen.
3. Omzetten naar een echte microgolfgolfvorm: Er zijn aanvullende stappen nodig om het gereconstrueerde histogram om te zetten in een bruikbare golfvorm.
4. Apparaatkarakteristieken: Verder onderzoek naar het gedrag van kwantum- en microgolffotonische apparaten in gecombineerde systemen is nodig.
5. Integratie: De meeste systemen maken tegenwoordig gebruik van omvangrijke afzonderlijke componenten.
Om deze uitdagingen aan te pakken en het vakgebied vooruit te helpen, ontstaan er een aantal veelbelovende onderzoeksrichtingen:
1. Ontwikkel nieuwe methoden voor realtime signaalverwerking en enkelvoudige detectie.
2. Ontdek nieuwe toepassingen die gebruik maken van hoge gevoeligheid, zoals het meten van vloeibare microbolletjes.
3. Streef naar de realisatie van geïntegreerde fotonen en elektronen om de omvang en complexiteit te verminderen.
4. Bestudeer de verbeterde licht-materie-interactie in geïntegreerde kwantummicrogolffotonische circuits.
5. Combineer kwantummicrogolffotonentechnologie met andere opkomende kwantumtechnologieën.
Posttijd: 02 september 2024