کاربرد فناوری فوتونیک مایکروویو کوانتومی

کاربرد کوانتومفناوری فوتونیک مایکروویو

تشخیص سیگنال ضعیف
یکی از امیدوارکننده‌ترین کاربردهای فناوری فوتونیک مایکروویو کوانتومی، تشخیص سیگنال‌های مایکروویو/RF بسیار ضعیف است. با استفاده از تشخیص تک فوتون، این سیستم ها بسیار حساس تر از روش های سنتی هستند. به عنوان مثال، محققان یک سیستم فوتونیکی مایکروویو کوانتومی را نشان داده‌اند که می‌تواند سیگنال‌های کمتر از -112.8 dBm را بدون هیچ گونه تقویت الکترونیکی تشخیص دهد. این حساسیت فوق العاده بالا آن را برای کاربردهایی مانند ارتباطات فضای عمیق ایده آل می کند.

فوتونیک مایکروویوپردازش سیگنال
فوتونیک مایکروویو کوانتومی همچنین توابع پردازش سیگنال با پهنای باند بالا مانند تغییر فاز و فیلتر را پیاده‌سازی می‌کند. با استفاده از یک عنصر نوری پراکنده و تنظیم طول موج نور، محققان این واقعیت را نشان دادند که فاز RF تا 8 گیگاهرتز پهنای باند فیلتر RF را تا 8 گیگاهرتز تغییر می دهد. نکته مهم این است که همه این ویژگی ها با استفاده از الکترونیک 3 گیگاهرتز به دست می آیند که نشان می دهد عملکرد از محدودیت های پهنای باند سنتی فراتر می رود.

فرکانس غیر محلی به نقشه برداری زمان
یکی از قابلیت های جالب درهم تنیدگی کوانتومی، نگاشت فرکانس غیرمحلی به زمان است. این تکنیک می‌تواند طیف یک منبع تک فوتون پمپ شده با موج پیوسته را به یک حوزه زمانی در یک مکان دورتر ترسیم کند. این سیستم از جفت فوتون های درهم تنیده استفاده می کند که در آن یک پرتو از یک فیلتر طیفی و دیگری از یک عنصر پراکنده عبور می کند. با توجه به وابستگی فرکانس فوتون های درهم تنیده، حالت فیلتر طیفی به صورت غیر محلی به حوزه زمان نگاشت می شود.
شکل 1 این مفهوم را نشان می دهد:

این روش می تواند بدون دستکاری مستقیم منبع نور اندازه گیری شده به اندازه گیری طیفی انعطاف پذیر دست یابد.

حسگر فشرده
کوانتومیمایکروویو نوریفناوری همچنین روش جدیدی را برای سنجش فشرده سیگنال های باند پهن ارائه می دهد. محققان با استفاده از تصادفی ذاتی در تشخیص کوانتومی، یک سیستم حسگر فشرده کوانتومی را نشان داده‌اند که قادر به بازیابی است.RF 10 گیگاهرتزطیف این سیستم سیگنال RF را به حالت پلاریزاسیون فوتون منسجم تعدیل می کند. سپس تشخیص تک فوتون یک ماتریس اندازه گیری تصادفی طبیعی برای سنجش فشرده فراهم می کند. به این ترتیب، سیگنال پهنای باند را می توان با نرخ نمونه برداری Yarnyquist بازیابی کرد.

توزیع کلید کوانتومی
علاوه بر افزایش کاربردهای سنتی فوتونیک مایکروویو، فناوری کوانتومی می‌تواند سیستم‌های ارتباطی کوانتومی مانند توزیع کلید کوانتومی (QKD) را نیز بهبود بخشد. محققان توزیع کلید کوانتومی چندگانه زیرحامل (SCM-QKD) را با مالتی پلکس کردن زیرحامل فوتون های مایکروویو بر روی یک سیستم توزیع کلید کوانتومی (QKD) نشان دادند. این اجازه می دهد تا چندین کلید کوانتومی مستقل از طریق یک طول موج نور منتقل شوند و در نتیجه کارایی طیفی افزایش یابد.
شکل 2 مفهوم و نتایج تجربی سیستم SCM-QKD دو حامل را نشان می دهد:

اگرچه فناوری فوتونیک مایکروویو کوانتومی امیدوارکننده است، اما هنوز چند چالش وجود دارد:
1. قابلیت بلادرنگ محدود: سیستم فعلی به زمان انباشتگی زیادی برای بازسازی سیگنال نیاز دارد.
2. مشکل در برخورد با سیگنال های انفجاری/تک: ماهیت آماری بازسازی، کاربرد آن را برای سیگنال های غیر تکراری محدود می کند.
3. تبدیل به شکل موج مایکروویو واقعی: مراحل اضافی برای تبدیل هیستوگرام بازسازی شده به شکل موج قابل استفاده لازم است.
4. ویژگی های دستگاه: مطالعه بیشتر در مورد رفتار دستگاه های فوتونیک کوانتومی و مایکروویو در سیستم های ترکیبی مورد نیاز است.
5. یکپارچه سازی: امروزه اکثر سیستم ها از اجزای گسسته حجیم استفاده می کنند.

برای رسیدگی به این چالش‌ها و پیشرفت این حوزه، تعدادی از جهت‌های پژوهشی امیدوارکننده در حال ظهور هستند:
1. روش های جدیدی برای پردازش سیگنال بلادرنگ و شناسایی تکی ایجاد کنید.
2. برنامه های کاربردی جدیدی را که از حساسیت بالا استفاده می کنند، مانند اندازه گیری میکروکره مایع، کاوش کنید.
3. تحقق فوتون ها و الکترون های یکپارچه را برای کاهش اندازه و پیچیدگی دنبال کنید.
4. برهمکنش نور-ماده تقویت شده را در مدارهای فوتونی کوانتومی مایکروویو یکپارچه مطالعه کنید.
5. فناوری فوتون مایکروویو کوانتومی را با سایر فناوری های کوانتومی نوظهور ترکیب کنید.