Toepassing van kwantummicrogolffotonica-technologie
Detectie van zwakke signalen
Een van de meest veelbelovende toepassingen van kwantummicrogolf-fotonica is de detectie van extreem zwakke microgolf-/RF-signalen. Door gebruik te maken van detectie van individuele fotonen zijn deze systemen veel gevoeliger dan traditionele methoden. Zo hebben onderzoekers bijvoorbeeld een kwantummicrogolf-fotonisch systeem gedemonstreerd dat signalen zo zwak als -112,8 dBm kan detecteren zonder elektronische versterking. Deze ultrahoge gevoeligheid maakt het ideaal voor toepassingen zoals communicatie in de diepe ruimte.
Microgolffotonicasignaalverwerking
Kwantummicrogolf-fotonica maakt ook signaalverwerkingsfuncties met een hoge bandbreedte mogelijk, zoals faseverschuiving en filtering. Door gebruik te maken van een dispersief optisch element en de golflengte van het licht aan te passen, toonden de onderzoekers aan dat RF-faseverschuivingen tot 8 GHz en RF-filterbandbreedtes tot 8 GHz mogelijk zijn. Belangrijk is dat al deze eigenschappen worden bereikt met 3 GHz-elektronica, wat aantoont dat de prestaties de traditionele bandbreedtelimieten overstijgen.
Niet-lokale frequentie-naar-tijd-mapping
Een interessante mogelijkheid die kwantumverstrengeling biedt, is het in kaart brengen van niet-lokale frequentie naar tijd. Deze techniek maakt het mogelijk om het spectrum van een continu-golf-gepompte enkelvoudige fotonenbron in kaart te brengen naar een tijdsdomein op een externe locatie. Het systeem maakt gebruik van verstrengelde fotonenparen, waarbij de ene bundel door een spectraalfilter gaat en de andere door een dispersie-element. Door de frequentieafhankelijkheid van verstrengelde fotonen wordt de spectrale filtermodus niet-lokaal in kaart gebracht naar het tijdsdomein.
Figuur 1 illustreert dit concept:
Met deze methode kunnen flexibele spectrale metingen worden uitgevoerd zonder de te meten lichtbron direct te manipuleren.
Gecomprimeerde detectie
Quantummicrogolf optischeDe technologie biedt ook een nieuwe methode voor gecomprimeerde detectie van breedbandsignalen. Door gebruik te maken van de willekeurigheid die inherent is aan kwantumdetectie, hebben onderzoekers een kwantumgecomprimeerd detectiesysteem gedemonstreerd dat in staat is om...10 GHz RFspectra. Het systeem moduleert het RF-signaal naar de polarisatietoestand van het coherente foton. Detectie van afzonderlijke fotonen levert vervolgens een natuurlijke willekeurige meetmatrix voor gecomprimeerde detectie. Op deze manier kan het breedbandsignaal worden hersteld met de Yarnyquist-bemonsteringsfrequentie.
Kwantumsleuteldistributie
Naast het verbeteren van traditionele microgolf-fotonische toepassingen, kan kwantumtechnologie ook kwantumcommunicatiesystemen zoals kwantumsleuteldistributie (QKD) verbeteren. De onderzoekers demonstreerden subcarrier multiplex kwantumsleuteldistributie (SCM-QKD) door microgolffotonen als subcarriers te multiplexen op een kwantumsleuteldistributiesysteem (QKD). Dit maakt het mogelijk om meerdere onafhankelijke kwantumsleutels over één enkele golflengte van licht te verzenden, waardoor de spectrale efficiëntie wordt verhoogd.
Figuur 2 toont het concept en de experimentele resultaten van het dual-carrier SCM-QKD-systeem:
Hoewel de technologie van kwantummicrogolf-fotonica veelbelovend is, zijn er nog steeds enkele uitdagingen:
1. Beperkte realtime-functionaliteit: Het huidige systeem vereist veel accumulatietijd om het signaal te reconstrueren.
2. Moeilijkheden bij het verwerken van burst-/enkele signalen: Het statistische karakter van de reconstructie beperkt de toepasbaarheid ervan tot niet-herhalende signalen.
3. Omzetten naar een echte microgolfgolfvorm: Er zijn extra stappen nodig om het gereconstrueerde histogram om te zetten in een bruikbare golfvorm.
4. Apparaatkenmerken: Nader 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 verder te ontwikkelen, komen er een aantal veelbelovende onderzoeksrichtingen naar voren:
1. Ontwikkel nieuwe methoden voor realtime signaalverwerking en individuele detectie.
2. Onderzoek nieuwe toepassingen die gebruikmaken van hoge gevoeligheid, zoals metingen van vloeibare microsferen.
3. Streef naar de realisatie van geïntegreerde fotonen en elektronen om de omvang en complexiteit te verminderen.
4. Bestudeer de versterkte licht-materie-interactie in geïntegreerde kwantummicrogolf-fotonische schakelingen.
5. Combineer kwantummicrogolf-fotontechnologie met andere opkomende kwantumtechnologieën.
Geplaatst op: 2 september 2024